Vibrational dynamics and structure of natural feldspars

The present study gives a contribution to the knowledge on the Na-feldspar and plagioclases, extending the database of the Raman spectra of plagioclases with different chemical compositions and structural orders. This information may be used for the future planetary explorations by “rovers”, for the investigation of ceramics nanocrystal materials and for the mineralogical phase identification in sediments. Na-feldspar and plagioclase solid solution have been investigated by Raman spectroscopy in order to determine the relationships between the vibrational changes and the plagioclase crystal chemistry and structure. We focused on the Raman micro-spectroscopy technique, being a non-destructive method, suited for contactless analysis with high spatial resolution. Chemical and structural analyses have been performed on natural samples to test the usefulness of Raman spectroscopy as a tool in the study of the pressure-induced structural deformations, the disordering processes due to change in the Al-Si distribution in the tetrahedral sites and, finally, in the determination of the anorthitic content (Anx) in plagioclase minerals. All the predicted 39 Ag Raman active modes have been identified and assigned to specific patterns of atomic vibrational motion. A detailed comparison between experimental and computed Raman spectra has been performed and previous assignments have been revised, solving some discrepancies reported in recent literature. The ab initio calculation at the hybrid HF/DFT level with the WC1LYP Hamiltonian has proven to give excellent agreement between calculated and experimentally measured Raman wavenumbers and intensities in triclinic minerals. A short digression on the 36 infrared active modes of Na-feldspar has been done too. The identification of all 39 computed Raman modes in the experimentally measured spectra of the fully ordered Na-feldspar, known as low albite, along with the detailed description of each vibrational mode, has been essential to extend the comparative analysis to the high pressure and high temperature structural forms of albite, which reflect the physical–chemical conditions of the hosting rocks. The understanding of feldspar structure response to pressure and temperature is crucial in order to constrain crustal behaviour. The compressional behaviour of the Na-feldspar has been investigated for the first time by Raman spectroscopy. The absence of phase transitions and the occurrence of two secondary compression mechanisms acting at different pressures have been confirmed. Moreover, Raman data suggest that the internal structural changes are confined to a small pressure interval, localized around 6 GPa, not spread out from 4 to 8 GPa as suggested by previous X-rays studies on elasticity. The dominant compression mechanisms act via tetrahedral tilting, while the T-O bond lengths remain nearly constant at moderate compressional regimes. At the spectroscopic level, this leads to the strong pressure dependencies of T-O-T bending modes, as found for the four modes at 478, 508, 578 and 815 cm-1. The Al-Si distribution in the tetrahedral sites affects also the Raman spectrum of Na-feldspar. In particular, peak broadening is more sensitive than peak position to changes in the degree of order. Raman spectroscopy is found to be a good probe for local ordering, in particular being sensitive to the first annealing steps, when the macroscopic order parameter is still high. Even though Raman data are scattered and there are outliers in the estimated values of the degree of order, the average peak linewidths of the Na-feldspar characteristic doublet band, labelled here as υa and υb, as a function of the order parameter Qod show interesting trends: both peak linewidths linearly increase until saturation. From Qod values lower than 0.6, peak broadening is no more affected by the Al-Si distribution. Moreover, the disordering process is found to be heterogeneous. SC-XRD and Raman data have suggested an inter-crystalline inhomogeneity of the samples, i.e., the presence of regions with different defect density on the micrometric scale. Finally, the influence of Ca-Na substitution in the plagioclase Raman spectra has been investigated. Raman spectra have been collected on a series of well characterized natural, low structural plagioclases. The variations of the Raman modes as a function of the chemical composition and the structural order have been determined. The number of the observed Raman bands at each composition gives information about the unit-cell symmetry: moving away from the C1 structures, the number of the Raman bands enhances, as the number of formula units in the unit cell increases. The modification from an “albite-like” Raman spectrum to a more “anorthite-like” spectrum occurs from sample An78 onwards, which coincides with the appearance of c reflections in the diffraction patterns of the samples. The evolution of the Raman bands υa and υb displays two changes in slope at ~An45 and ~An75: the first one occurs between e2 and e1 plagioclases, the latter separates e1 and I1 plagioclases with only b reflections in their diffraction patterns from I1 and P1 samples having b and c reflections too. The first variation represents exactly the e2→e1 phase transitions, whereas the second one corresponds in good approximation to the C1→I1 transition, which has been determined at ~An70 by previous works. The I1→P1 phase transition in the anorthite-rich side of the solid solution is not highlighted in the collected Raman spectra. Variations in peak broadening provide insights into the behaviour of the order parameter on a local scale, suggesting an increase in the structural disorder within the solid solution, as the structures have to incorporate more Al atoms to balance the change from monovalent to divalent cations. All the information acquired on these natural plagioclases has been used to produce a protocol able to give a preliminary estimation of the chemical composition of an unknown plagioclase from its Raman spectrum. Two calibration curves, one for albite-rich plagioclases and the other one for the anorthite-rich plagioclases, have been proposed by relating the peak linewidth of the most intense Raman band υa and the An content. It has been pointed out that the dependence of the composition from the linewidth can be obtained only for low structural plagioclases with a degree of order not far away from the references. The proposed tool has been tested on three mineralogical samples, two of meteoric origin and one of volcanic origin. Chemical compositions by Raman spectroscopy compare well, within an error of about 10%, with those obtained by elemental techniques. Further analyses on plagioclases with unknown composition will be necessary to validate the suggested method and introduce it as routine tool for the determination of the chemical composition from Raman data in planetary missions.

Sviluppo e applicazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali in leghe di acciaio e alluminio

La presente Tesi ha per oggetto lo sviluppo e la validazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali metallici . In particolare, i nuovi criteri formulati risultano applicabili a componenti metallici, soggetti ad un’ampia gamma di configurazioni di carico: carichi multiassiali variabili nel tempo, in modo ciclico e random, per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Tali criteri costituiscono un utile strumento nell’ambito della valutazione della resistenza/vita a fatica di elementi strutturali metallici, essendo di semplice implementazione, e richiedendo tempi di calcolo piuttosto modesti. Nel primo Capitolo vengono presentate le problematiche relative alla fatica multiassiale, introducendo alcuni aspetti teorici utili a descrivere il meccanismo di danneggiamento a fatica (propagazione della fessura e frattura finale) di componenti strutturali metallici soggetti a carichi variabili nel tempo. Vengono poi presentati i diversi approcci disponibili in letteratura per la verifica a fatica multiassiale di tali componenti, con particolare attenzione all'approccio del piano critico. Infine, vengono definite le grandezze ingegneristiche correlate al piano critico, utilizzate nella progettazione a fatica in presenza di carichi multiassiali ciclici per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Il secondo Capitolo è dedicato allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione della resistenza a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato in termini di tensioni. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2011. In particolare, il primo intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico: nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico a quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Il secondo intervento è relativo alla definizione dell'ampiezza della tensione tangenziale e un nuovo metodo, noto come Prismatic Hull (PH) method (di Araújo e collaboratori), viene implementato nell'algoritmo. L'affidabilità del criterio viene poi verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura. Nel terzo Capitolo viene proposto un criterio di nuova formulazione per la valutazione della vita a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e basso/medio numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico, ed è formulato in termini di deformazioni. In particolare, la formulazione proposta trae spunto, come impostazione generale, dal criterio di fatica multiassiale in regime di alto numero di cicli discusso nel secondo Capitolo. Poiché in presenza di deformazioni plastiche significative (come quelle caratterizzanti la fatica per basso/medio numero di cicli di carico) è necessario conoscere il valore del coefficiente efficace di Poisson del materiale, vengono impiegate tre differenti strategie. In particolare, tale coefficiente viene calcolato sia per via analitica, che per via numerica, che impiegando un valore costante frequentemente adottato in letteratura. Successivamente, per validarne l'affidabilità vengono impiegati numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura; i risultati numerici sono ottenuti al variare del valore del coefficiente efficace di Poisson. Inoltre, al fine di considerare i significativi gradienti tensionali che si verificano in presenza di discontinuità geometriche, come gli intagli, il criterio viene anche esteso al caso dei componenti strutturali intagliati. Il criterio, riformulato implementando il concetto del volume di controllo proposto da Lazzarin e collaboratori, viene utilizzato per stimare la vita a fatica di provini con un severo intaglio a V, realizzati in lega di titanio grado 5. Il quarto Capitolo è rivolto allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione del danno a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali random e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato nel dominio della frequenza. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2014. In particolare, l’intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico, e nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico con quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Infine, l’affidabilità del criterio viene verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura.