Chimica del cambiamento nel tempo: invecchiamento

Guardando la mia immagine allo specchio e confrontandola con una mia fotografia d’infanzia mi sembra che non ci siano dubbi su quello che impietosamente le due immagini evidenziano : invecchiamento.

Guardando poi una fotografia in bianco e nero, una a colori e una stampata da un’immagine digitale ancora una volta non ho dubbi, il messaggio è chiaro: progresso.

Un breve attimo e poi qualche dubbio mi assale; sento che sto per entrare in una terribile spirale filosofica che avvolge i concetti di tempo, di cambiamento, di evoluzione e ancora: tempo assoluto, tempo relativo, tempo filosofico.  E quando mi sembra di aver trovato qualche risposta e di aver percorso tutta la spirale, ecco di nuovo la specchio e poi ancora le fotografie . Un loop. il peggiore degli incubi. Per uscirne devo trovare una parola o un oggetto magico,che interrompa il cerchio. Sento un tintinnio metallico e nella mente si sta componendo una parola: eccola … du -ral -lu -min io:
DURALLUMINIO!? Che razza di parola magica è mai questa.?
Ma sì, ecco che scatta l’associazione d’idee: age hardenig, invecchiamento! un fenomeno speciale in cui l’ invecchiando produce miglioramento, una specie di “gallina vecchia fa buon brodo” .
Non si tratta, quindi, di quel processo dalle conseguenze devastanti da combattere con ogni mezzo, ma di un tipo di invecchiamento dagli effetti così strabilianti, da essere indotto artificialmente.
I beneficiari di questo miracolo ovviamente non sono umani ma leghe, leghe di alluminio.

Ma andiamo con ordine.
Siamo nei primi anni del 1900 in Germania e ingegneri e scienziati studiavano il modo di utilizzare al meglio l’alluminio.
All’epoca le proprietà di questo metallo, il numero 13 della tavola periodica, erano note anche se non da molto tempo. Oersted e Wholer si erano contesi il primato per la produzione dell’elemento puro e Wholer fu il primo a definirlo leggero attribuendogli un peso specifico di 2,5 – 2,67 g/cm3.
Nel 1854, Henri Sainte-Claire Deville,poi,  completò il quadro della conoscenza dell’alluminio e a lui si deve il primo metodo (costosissimo) di preparazione industriale. Nel 1855 alcuni lingotti di alluminio puro figurarono all’Esposizione di Parigi.
Ma il processo di produzione elettrolitica, dal quale derivano gli attuali metodi industriali di produzione di Al , fu messo a punto contemporaneamente e in modo indipendente, in America e in Francia, nel 1886 .
I due scienziati  Charles Martin Hall e Paul Louis Toussaint Heroult, che elaborarono il brevetto nello stesso anno, nacquero uno nell’Ohio l’altro in Normandia nel 1803 e morirono entrambi nel 1914.

 

 

Gli albori dell’alluminio furono difficili. Le possibilità di applicazione pratica di questo metallo sembravano molto limitate. Se ne sperimentò l’utilizzo come materiale per l’arte e in gioielleria, come risulta da questo brano di Deville tratto dal suo libro “ L’Alluminium” del 1859
Il primo oggetto d’arte che sia fatto in alluminio è stato fatto da Honorè: si tratta di un sonaglino destinato al Principe Imperiale, che è stato ordinato dal Ministro della Casa Imperiale ….In questi ultimi anni Christofle ha mostrato all’esposizione di Dijon dei gruppi gettati e cesellati in alluminio o meglio in una lega con il 2% di rame … Christofle ha impiegati sinora in oreficeria circa 100 kg di allumino”
In un libro di chimica inorganica del 1869, Sacc scriveva: “E’ più probabile che l’alluminio debba sparire fra poco dalla lista dei metalli industriali sia a causa del suo prezzo elevato che per la difficoltà di ottenere leghe di composizione costante e regolare.”
Da notare che non c’erano stati molti progressi dal 1829 quando il vocabolario italiano Tramater alla voce alluminio scriveva:” Metalloide poco noto,che si è ottenuto in sino ad ora soltanto col mezzo della pila di Volta, ed è avidissimo d’ossigeno, col quale si combina in tutte le temperature formando l’allumina
Abbassati i costi di produzione, dopo il 1886 l’alluminio divenne un materiale industriale . Il problema fu quello della resistenza meccanica assai bassa, che si pensò subito di aumentare mediante alligazione con altri metalli.
Incominciarono così gli studi sulle leghe.
Siamo intorno al 1906 , l’ingegnere tedesco Alfred Wilm formula una lega alluminio con il 4% di rame. All’epoca erano noti i trattamenti termici degli acciai e perciò si tentava di applicare gli stessi procedimenti anche alle leghe di alluminio, senza però ottenere risultati.
Anche Wilm stava percorrendo questa strada temprando con diverse modalità i suoi campioni di lega Al-Cu. Un giorno potrebbe essere andata così :
Abbandonò il campioncino temprato e si rilassò a Baden Baden o in qualche altro stabilimento termale.
Al ritorno riprese il campione abbandonato e eseguì subito le prove di trazione. Trovò che la resistenza alla deformazione plastica era molto aumentata. Immediatamente collegò questo miglioramento a una qualche trasformazione avvenuta nel tempo e cercò il modo di accelerare questo fenomeno,  agendo sulla temperatura.
Dopo molti tentativi trovò le condizioni ottimali e brevettò il processo chiamato appunto d’invecchiamento. Nel numero 8 della rivista tedesca Metallurgie pubblicò una memoria riassuntiva della scoperta, memoria di grande interesse e per certi versi ancora attuale.
Non ebbe neppure il piacere di scegliere il nome per la sua lega, che si chiamò duralluminio da Duren, la sede della Durener Metalwerke la società che si accaparrò il brevetto.
Questa nuova lega sembrava ideale per le applicazioni aereonautiche, che a quel tempo erano i dirigibili.
Gli inglesi, quindi, progettarono un dirigibile, il Myfly, il cui telaio era in duralluminio ma, in fase di collaudo, il dirigibile esplose e anche se  la causa non poteva essere imputata al telaio , gli inglesi abbandonarono il progetto.

Il dirigibile tedesco Zeppelin, con lo stesso tipo di telaio,

ebbe più fortuna e del suo progetto se ne realizzarono più di 90 esemplari. Alcuni di questi furono utilizzati nella prima guerra mondiale per bombardare Londra. L’abbattimento di uno di questi rivelò agli inglesi l’uso di quella lega da loro frettolosamente scartata.

Ma, tornando al processo di invecchiamento: a cosa era dovuto?
La spiegazione del fenomeno richiese l’aiuto di strumenti scientifici particolari (microscopio elettronico in trasmissione) e di una teoria.
Cominciamo dalla teoria.
Essa è nota con il nome di “teoria delle dislocazioni”, dove con “dislocazioni” si intendono particolari difetti dei reticoli cristallini, aventi una sola dimensione: cioè sono delle linee che si possono muovere se sono sollecitate da una forza di entità adeguata.
Il risultato del moto delle dislocazioni è la “deformazione plastica”, vale a dire nel caso di un metallo come una lega di alluminio, una deformazione permanente (si ricorda che, invece, la “deformazione elastica” è una deformazione reversibile, che scompare se si toglie la sollecitazione). Ne consegue che un materiale è tanto più resistente alla deformazione plastica quanto più difficile è il cammino delle dislocazioni. Quindi è la presenza di ostacoli al moto delle dislocazioni che può rendere un metallo più resistente alla deformazione plastica.
Pertanto se si ha un forte aumento di resistenza, significa che, durante l’invecchiamento della lega Al/Cu, si generano ostacoli al moto delle dislocazioni.Ma qual è l’ostacolo e come funziona?
La risposta richiede l’impiego di microscopi molto sensibili (ad esempio TEM, microscopio elettronico in trasmissione) abbinati a sistemi di caricamento del campione sotto indagine (ad esempio una macchina per prove di trazione a caldo).
Ciò fu possibile verso il 1940 ai ricercatori francesi Guinier e Preston, ed i loro risultati sperimentali sulle leghe Al/Cu sono all’origine dei modelli di rinforzo alla deformazione plastica noti come: a) rinforzo per particelle deformabili; b) rinforzo per particelle indeformabili.
Se una lega Al – 4%Cu viene riscaldata a circa 500 °C diventa una soluzione solida omogenea, di solito indica con α. Un raffreddamento veloce fino a temperatura ambiente (tempra) blocca qualsiasi trasformazione di  α e si ottiene una soluzione solida sovrassatura α’ la quale ha caratteristiche meccaniche quasi uguali a quelle di α. Ma α’ è una fase instabile che tende spontaneamente a diventare stabile, cioè a trasformarsi in una miscela di fasi  α + CuAl2 , essendo quest’ultimo un composto intermetallico.
A temperatura ambiente, però,  questa trasformazione richiede molto tempo e ad un certo punto si arresta. In questo caso si ha un incremento di resistenza alla deformazione plastica rilevante ma non il massimo: evidentemente gli ostacoli al moto delle dislocazioni sono poco efficaci.
Un modo per rendere più veloci le trasformazioni è quello di invecchiare α ‘ ad una temperatura elevata.

Se ad esempio si sceglie T= 300 °C si scopre che si ha un velocissimo incremento di resistenza, ma poi si verifica un suo crollo a valori quasi uguali a quelli ottenuti per invecchiamento a temperatura ambiente.Evidentemente gli ostacoli al moto delle dislocazioni perdono velocemente la loro efficacia.
Se l’invecchiamento viene fatto ad una temperatura di circa 150 °C la resistenza alla deformazione plastica è molto elevata, si raggiunge in tempi abbastanza brevi (60 – 100 min), e permane nel tempo: gli ostacoli sono molto efficaci!!

Come si può spiegare questo comportamento?

Nel modello di Guinier e Preston gli ostacoli sono costituiti sempre da particelle che diventano di CuAl2 durante l’invecchiamento. A temperatura ambiente queste particelle sono troppo piccole (forse nemmeno di CuAl2) e quindi poco efficaci.
A 300 °C esse si ingrandiscono velocemente e, fatto determinante, si staccano dalla fase α generando “particelle incoerenti”. Le dislocazioni possono facilmente superarle avvolgendole: l’ostacolo è poco efficace e il rinforzo c’è (rinforzo per particelle non deformabili) ma è di bassa entità.

Alla temperatura giusta (circa 150 °C) le particelle di CuAl2 sono piccole e attaccate alla fase α : sono “particelle coerenti” e le dislocazioni per superarle devono deformarle (rinforzo per particelle deformabili), cosa che, essendo il CuAl2 molto duro, richiede una sollecitazione molto elevata. L’ostacolo è molto efficace e l’entità del rinforzo massima.
Queste gif animate  mostrano il meccanismo del movimento delle dislocazioni
A questo punto direi che se  volete sapere  tutto sull’alluminio e le sue  leghe il libro di riferimento è ancora:

Carlo Panseri- L’alluminio e le sue leghe Hoepli 1945

Vorrei poi che leggeste queste righe
E’ qualcosa di simile a un necrologio per un centro di ricerca meraviglioso che si chiamava ISML e sorgeva a Novara, al primo piano di un edificio, che ospitava anche il prestigioso centro di ricerche Donegani. Come sempre succede alle istituzioni che significano cultura e ricerca, venne chiuso per mancanza di fondi e i sui ricercatori, con tutto il loro bagaglio di conoscenze, dispersi.
Credo che anche questo sia in tema con l’argomento del Carnevale: c’è la chimica, c’è il cambiamento, c’è il tempo che avvolge tutto.

Questo post partecipa al #18 CARNEVALE DELLA CHIMiCA ospitato dal blog ARTE E SALUTE

Annunci

Informazioni su spanni

prof. di chimica
Questa voce è stata pubblicata in approfondimenti, carnevale della chimica, didattica e contrassegnata con , , , , , , , , , , . Contrassegna il permalink.

3 risposte a Chimica del cambiamento nel tempo: invecchiamento

  1. Pingback: Google Alert – CHIMICA NEWS – Easy News Press Agency | Easy News Press Agency

  2. annarita ha detto:

    Bello, bello, bello, Margherita:). Complimenti!

    Mi piace

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...