Riassunto teoria per corso di Materiali Metallici, revisionato post-esame., Sintesi del corso di Tecnologia Dei Materiali Metallici

Scarica Riassunto teoria per corso di Materiali Metallici, revisionato post-esame. e più Sintesi del corso in PDF di Tecnologia Dei Materiali Metallici solo su Docsity! Materiali metallici 1 - Prova di trazione Premessa La resistenza meccanica può essere suddivisa in tre categorie: statica, all'impatto e all'usura. Questa resistenza dipende da diversi fattori, tra cui il materiale, la tipologia di sollecitazione, la geometria del componente e le condizioni chimico-fisiche operative. Le proprietà meccaniche sono le caratteristiche intrinseche del materiale indipendenti dalla geometria del componente. Possiamo ricavare queste caratteristiche tramite le prove meccaniche applicando sollecitazioni in determinate condizioni ambientali. Le sollecitazioni si distinguono in: statiche, dove il fattore tempo è trascurabile, e dinamiche, che dipendono fortemente dal tempo e possono essere di tipo impulsivo o ciclico. Stati tensionali Le sollecitazioni portano i legami atomici a: def. elastica o def. plastica. La sollecitazione in sè è data da una forza F su una sezione A da cui ricaviamo: la tensione ingegneristica σ [N/mm2] (divisibile in tensione a taglio e trazione) e la conseguente deformazione del materiale ε [adimensionale]. Esempio di sollecitazione in una funivia: la fune è in tensione a trazione, l'albero di trasmissione ha tensione a taglio (distribuzione a farfalla). Caratteristiche della prova La prova di trazione avviene in condizioni statiche quindi trascuriamo il tempo. Viene utilizzato un provino, realizzato seguendo la normativa internazionale (ISO 6892), caratterizzato da afferraggi agli estremi e un tratto utile con lunghezza iniziale L e sezione iniziale A (regione dove deve avvenire il cedimento). La velocità della traversa mobile dunque della prova varia da 0,1 a 4 mm/min. La macchina dedicata misura la forza resistente all'allontanamento della provetta e l'allungamento. Questi dati ci permettono di costruire il diagramma tensione-deformazione (σ-ε), fondamentale per comprendere il comportamento del materiale sotto sforzo. Principali proprietà meccaniche La curva σ-ε è divisibile in: zona def. elastica, zona def. plastica uniforme e zona def. plastica localizzata. I punti critici che separano le zone sono: snervamento, rottura e frattura. Distinguiamo in 2 famiglie i materiali analizzabili con questo diagramma: duttili con def. plastica a rottura maggiore del 5% e fragili con def. plastica a rottura minore del 5% (percentuale data da An=ε*100). La zona a def. elastica è descrivibile dalla legge di Hooke data dal modulo di Young e dalla deformazione ε. La zona a def. plastica uniforme è soggetta a incrudimento (rafforzamento generale del materiale) mentre la zona a def. localizzata è soggetta a strizione (conservazione massa dunque allunga e stringe). Gli studi sulla meccanica della frattura agli inizi del '900 (caso navi Liberty) confermano i fattori che più contribuiscono alla rottura fragile del materiale: stato tensionale triassiale, bassa temperatura e elevata velocità di deformazione. In particolare un incremento sensibile della velocità di deformazione porta a un decadimento della tenacità del materiale (non influenza modulo di Young). Caratteristiche della prova La prova di resilienza attua una sollecitazione dinamica di tipo impulsivo, per determinare la tenacità si usa provino unificato. Il pendolo di Charpy (o mazza battente) viene rilasciato da un'altezza H, impatta sul provino che inizierà a rompersi nell'intaglio realizzato, il pendolo poi risalirà a una h inferiore all'iniziale. Tramite la differenza di altezze calcoliamo e indichiamo l'energia assorbita dal provino [J] L=P (H - h) che riferita alla sezione minima S [cm2] ci restituisce l'indice K [J/cm2] che equivale al rapporto [J/cm2]. Il provino segue la normativa e può avere 3 tipi di intaglio: V a 45°, U o Keyhole. Dimensioni generali 55x10x10 mm3. Fattori da valutare: provini presi da diverse parti di un materiale, intagli manuali sempre diversi e posizionamento su macchina impreciso. Transizione duttile fragile Una delle variabili più importanti per la prova è la temperatura. Lo scopo è individuare la temp di transizione duttile-fragile al di sopra della quale il materiale mantiene un comportamento duttile. L'intervallo dipende da: forma e dimensione dell'intaglio, dimensione del provino, velocità all'urto della mazza battente (3/5 m/s) e numero di prove condotte per tracciare la curva. Il CCC presenta transizione mentre il CFC ha una progressiva diminuzione al decrescere della temp. (Alluminio ampio consenso nel settore automotive e aeronautico). Cristallinità, la percentuale di superficie che ha aspetto cristallino è sinonimo di fragilità. Verifichiamo la capacità del materiale di plasticizzare. Da fragile a duttile. Un'altra variabile per la transizione sono gli elementi e/o impurezze in lega. I materiali puri hanno caratteristiche scadenti e vengono quindi addizionati elementi alliganti per accrescerne le prestazioni. Troppo carbonio nel ferro porta il materiale ad essere eccessivamente fragile. Altra variabile che influisce in modo significativo è la dimensione della grana cristallina. (Più fine è, meglio è) Processi di affinazione della grana: laminazione controllata a metallo caldo (ricristallizza) o aggiunta di microquantità di materiali affinanti (Nb, Ti e Al). 4 - I metalli allo stato solido I legami atomici Le caratteristiche di un materiale metallico sono condizionate dalle forze interatomiche. Esistono diversi tipi di legami interatomici classificabili in 2 categorie: Legami forti quali legame ionico, covalente e metallico (primi 2 tipici dei ceramici: E elevato e resistenza Temp elevata); Legami deboli come quello di Van der Waals (polimeri e elastomeri). Il legame metallico Possiamo identificare i materiali metallici come un reticolo di ioni positivi tenuti insieme da una nube di elettroni, nube che interagisce con campi elettrici, magnetici o calore. Caratteristiche dei materiali metallici: Resistenza meccanica Buoni conduttori termici ed elettrici Saldabili: continuità della conduzione termica e elettrica Opachi: non attraversabili dalla luce Lucenti: riflettono bene la luce Pesanti (densità): dovuto al peso atomico Temperatura di fusione ben definita Solubili tra loro: 2 elementi metallici trattengono una certa percentuale dell'altro Possibilità di diffusione: scambio di atomi tra materiali allo stato solido Formazione e struttura dei materiali metallici Materiali metallici allo stato liquido hanno energia del sistema elevata tale da non permettere la formazione di legami, abbiamo disordine atomico. Difetti puntiformi I difetti puntiformi interessano una singola posizione all'interno del reticolo cristallino. Distinguiamo: (1) vacanze/lacune, (4,5) atomi sostituzionali, (2) auto-interstiziali e (3) interstiziali. I difetti provocano una distorsione elastica del reticolo ciò implica un rafforzamento del materiale (maggiore elasticità). Le vacanze: possono crearsi da deformazione plastica, incremento della temperatura o per irraggiamento (solo lab o centrali nucleari). In particolare l'alta temperatura causa la vibrazione degli ioni tale da generare spazi vuoti. È 4 volte più probabile avere lacune che siti auto- interstiziali. Atomi sostituzionali e interstiziali: possono essere elementi voluti o impurità. Per il ferro: sostituzionali voluti Mg, Ni e Si, non voluto S, interstiziali voluti N, B e C, non voluti H, O. La presenza di questi atomi dipende dalla solubilità dei materiali con il principale. Difetti superficiali Con difetti superficiali abbiamo l'estensione delle imperfezioni su due direzioni. Producono, come i difetti puntiformi, un innalzamento dell'energia interna tramite tensioni a trazione/compressione. Difetti di impilaggio (staking faults): durante la naturale creazione del reticolo c'è la probabilità che si alteri, o con l'aggiunta di un piano o l'eliminazione. Se viene a mancare, il difetto viene detto intrinseco, se aggiunto viene detto estrinseco. Bordo dei grani: salvo rari casi un materiale metallico (solido) è costituito da più zone, chiamate grani cristallini, dove il reticolo si presenta con orientamenti diversi. Chiamiamo bordi le parti di giunzione dei grani. Hanno uno stato atomico disordinato (amorfo, ricorda il liquido e il vetro) che inalza l'energia interna del sistema. Maggiore è la lunghezza complessiva dei bordi, maggiore è l'incremento di tenacità e abbassamento della transizione duttile-fragile. Geminati: Nascono da una sollecitazione a taglio rispetto al piano atomico che causa un disallineamento generando piani di geminazione. Questo processo a volte è accompagnato da un'energia sonora. Una bacchetta di stagno (Sn), quando viene piegata, produce il "pianto dello stagno" (tipo grissino che si rompe). Difetti lineari Considerando un reticolo cristallino perfetto, possiamo pensare alla def. plastica come un movimento rigido di scorrimento di un piano atomico su un altro dovuto ad una tensione a taglio. La sollecitazione dovrà essere superiore alla forza del legame. Dagli studi condotti da Frenkel il valore teorico risulta maggiore rispetto al valore sperimentale, tale risultato è dato dalla presenza di imperfezioni reticolari che hanno indebolito il reticolo favorendo lo "scivolamento" atomico. La conseguenza di questo movimento è una def. plastica. Distinguiamo i tre tipi di dislocazioni: Dislocazioni discordi in segno su piani discordi. Ripristinano il reticolo lasciando una vacanza. Le interazioni tra dislocazioni e atomi estranei Atomi sostituzionali e interstiziali interagiscono con le dislocazioni al fine di "riordinare" e "correggere" il reticolo originale così da rendere necessario un carico maggiore per arrivare alla deformazione. (a) Atomi interstiziali si posizionano nelle zone dilatate (dislocazioni a spigolo). (b) Atomi sostituzionali maggiori si posizionano nelle zone dilatate. (c) Atomi sostituzionali minori si posizionano nella zona compressa. Riassumendo: Si concentrano nell'intorno della linea della dislocazione creando addensamenti atomici detti atmosfere di Cottrell. Le interazioni tra dislocazioni e particelle Quando una dislocazione, mossa da una sollecitazione, incontra una particella (fasi) può comportarsi in modi differenti. Nel caso in cui la particella è una fase coerente, la dislocazione attraversa la particella "tagliandola", attraverso il meccanismo di Friedel, e lasciando un gradino di scorrimento. Una progressione può separare completamente la fase (passaggio ciclico di dislocazioni). Nel caso di particella di fase semi-coerente o incoerente la dislocazione avvolge la particella fino a sdoppiarsi in: una dislocazione anulare, grazie ai due lembi che si "toccano" (meccanismo di Orowan) e nella dislocazione che continua a viaggiare. Dislocazione anulare porta ad un incrudimento tanto maggiore quanto è la quantità di anelli. Una dislocazione può essere fermata da un bordo di grano generando una zona di accumulo, o impilaggio. Genesi delle dislocazioni Le dislocazioni possono nascere anche nella fase di solidificazione e raffreddamento del materiale, ad esempio si possono generare vacanze. I bordi grano (elevata energia) per ridurre l'accumulo energetico possono rilasciare dislocazioni che si addentrano nei grani. A loro volta generano dislocazioni anche le fasi incoerenti che simulano dei bordi grano data l'incoerenza. Il meccanismo di Frank-Read dà la possibilità alle dislocazioni, con gli estremi del segmento bloccati, si allungarsi e "gonfiarsi" come un palloncino fino a curvarsi e chiudersi su se stessa. La dislocazione si ripristina permettendo di ripetere il processo in loop. 7 - Soluzioni solide Il concetto di fase Definiamo fase una porzione omogenea del sistema che presenta composizione chimica costante, reticolo ben definito, proprietà chimico- fisiche costanti e ben definite. Un sistema può essere omogeneo (1 fase) o eterogeneo (2 o più fasi). Esempi per la definizione di FASE: Fase liquida, fase solida e composti chimici (particelle interne al materiale) rispettano la definizione. Combinando più fasi (eterogeneo) si generano la macrostruttura e microstruttura di un materiale metallico, strutture che sono caratterizzate da forma, dimensione e disposizione delle fasi. Le caratteristiche meccaniche sono definite dalla struttura del materiale. Gli Stati termodinamici Lo stato termodinamico di un sistema è determinato dalla quantità di energia presente al suo interno. Un livello energetico basso indica una condizione di stabilità. Uno stato metastabile si associa a un minimo relativo dell'energia, mentre uno stato instabile corrisponde agli altri punti stazionari dell'energia. Se il sistema subisce sollecitazioni può variare di condizione. Per conoscere lo stato termodinamico di un sistema occorre misurare pressione, temperatura, e composizione chimica variabili dal quale dipendono tutte le altre. Lo stato di instabilità è il più "fragile", anche una leggera sollecitazione può variare la sua condizione. Lo stato di metastabilità viene visto come una condizione di non equilibrio che può esistere e mantenersi stabile anche con sollecitazioni importanti. Ad esempio Cementite e Ferrite possono restare inalterati per milioni di anni. Le soluzioni solide Una soluzione solida, o lega metallica, si forma quando un metallo puro incorpora piccoli difetti, chiamati difetti puntiformi (Cap. 5), o elementi aggiunti al reticolo cristallino. La possiamo vedere la soluz. solida come una fase nella quale uno dei componenti mantiene il suo reticolo cristallino (solvente) e gli elementi aggiuntivi che corrispondono agli atomi dissolti (soluto). Distinguiamo in 2 tipi di soluzioni solide: sostituzionali e interstiziali. In entrambi i casi si deforma elasticamente il reticolo cristallino originale ostacolando lo scorrimento delle deformazioni. Oltre alla temperatura consideriamo molto anche la barriera energetica ovvero la forza che uno ione deve vincere per mettersi in movimento: forza di coesione che lo stabilizza nella sua posizione + forze repulsive degli ioni adiacenti. La presenza di difetti reticolari rende possibile i fenomeni diffusivi altrimenti impossibili. I fenomeni diffusivi di tipo volumetrico possono manifestarsi in diversi modi: 1 - Meccanismo lacunare: tale meccaniscmo prevede il movimento di un atomo in una vacanza vicina lasciando a sua volta una vacanza, è responsabile dell'autodiffusione. Maggiore è la temperatura, più aumenta il movimento atomico e la quantità di lacune, di conseguenza aumenta l'entità del meccanismo. 2 - Meccanismo interstiziale: prevede lo spostamento degli elementi interstiziali HONCB tra i vuoti interstiziali. Avviene con velocitàmaggiore rispetto al mecc. lacunare semplicemente perchè gli atomi sono più piccoli. Anche qui alta temperatura aumenta la frequenza. 3 - Meccanismi indiretti interstiziali e autointerstiziali: prevede che un atomo interstiziale vada ad occupare una posizione nodale, spostando lo ione legittimo, e diventando autointerstiziale. L'altro caso è che lo ione in posizione nodale si sposti per occupare un vuoto interstiziale. Tipo di diffusione molto insolita. 4 - Meccanismo di scambio diretto: prevede uno scambio tra ioni metallici in posizioni nodali vicine. Ostacolato da forze repulsive molto alte. 5 - Meccanismo di scambio ciclico: prevede una permutazione circolare di più atomi. Forze repulsive basse ma con un trasporto netto di materia nullo. Le leggi di Fick Dagli studi fatti nell'800 sono state ricavate 2 leggi che prendono in considerazione 4 variabili: la concentrazione C, la temperatura T, la posizione X e il tempo t. La prima legge di Fick stabilisce il flusso atomico di diffusione nell'unità di tempo. Presi 2 piani e posti a distanza a, con concentrazione uno minore dell'altro, definiamo la quantità di atomi che attraversa la separazione tra i piani, lungo una singola direzione, nell'unità di tempo. Il meno corrisponde al movimento da concentrazione max a concentrazione min. Questo flusso è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione che è rappresentato dalla pendenza nel grafico. L'energia di attivazione Q della diffusione varia ovviamente da tipo di reticolo, temperatura e tipologia di diffusione (volumetrica, bordo grano, superficiale). [n°atomi/m2 s] D è nota come coefficiente di diffusione [m2/s]. D0 costante legata al materiale; Q energia di attivazione; R costante dei gas; T temperatura in Kelvin La seconda legge di Fick ci dice come cambia la concentrazione di un elemento Cs all'interno del materiale C0 in un determinato punto Cx in funzione del tempo t. Dove Cs è la concentrazione semi-infinita, C0 metallo puro uniforme e nel punto X la concentrazione iniziale che deve essere 0. Tramite queste elementi di contorno l'eq. differenziale di Fick è risolvibile. Questa legge ci permette, dopo aver calcolato la concentrazione di una specie diffondente, di poter ottenere la stessa concentrazione con temperature e tempi diversi. Esempi applicativi Ingrossamento del grano cristallino Si attivano fenomeni diffusivi tra grani adiacenti che hanno "l'obiettivo" di eliminare i bordi grano che hanno energia elevata, facendo questo otteniamo un ingrossamento della grana cristallina. Carbocementazione Ha lo scopo di indurire le zone soggette ad usura (es. ruote dentate, ingranaggi, alberi motore) ma contemporaneamente mantenere il cuore del componente tenace in modo da resistere alle sollecitazioni statiche e dinamiche. Si esegue su acciai dolci (basso tenore di C, 0,1/0,2 %) a temperature maggiori di 850° per un tempo dalle 2/10 ore, viene sempre eseguito in ambiente gassoso con ossido di carbonio (CO) e a fine trattamento si ottiene uno strato superficiale altamente "cementato". Nitrurazione Lavorazione analoga alla precedente ma con azoto N. Aumenta la resistenza ad alte temperature (es. alberi motore, dischi freno). Viene eseguito a temperatura 480/550°C per un tempo di 24/100 ore 11 - Solidificazione Premessa La nucleazione eterogenea avviene grazie alla presenza di superfici esterne e/o elementi estranei nel liquido, che facilitano la formazione dei nuclei. Durante la fase di raffreddamento queste superfici e/o elementi agiscono come siti di nucleazione permettendo la crescita del cristallo. Questo è il caso più probabile e comune. L̓ inoculazione è un trattamento che ci permette di stimolare la formazione di un numero maggiore di nuclei tramite l'aggiunta di particelle estranee e di conseguenza aumentare il numero di grani cristallini presenti poi allo stato solido (1 nucleo -> 1 grano). A volume costante dunque, un numero maggiore di grani, porta ad avere dei grani più piccoli (affinazione cap.9) e contemporaneamente avere una maggiore lunghezza dei bordi grano. Questa è l'unica tecnica attualmente conosciuta per incrementare tutte le proprietà meccaniche del materiale (snervamento->elasticità, carico di rottura, def. plastica di rottura, durezza e tenacità) quindi controllare la nucleazione è fondamentale e importante. Le particelle aggiunte per trattamento di inoculazione sono di grandezza nanometrica (1-5 nm) e sono per la maggior parte dei casi ceramiche. Troviamo: TiB2 Boruro di Titanio, Al3Ti Alluminio di Titanio, TiC Carburo di Titanio e leghe di Fe-Si. La crescita del solido Durante la solidificazione di un materiale metallico devono essere rimossi il calore specifico e il calore latente di fusione. Il primo viene rimosso per irraggiamento nell'atmosfera circostante e/o per conduzione con le pareti dello stampo. Il secondo deve essere rimosso dalla superficie solido-liquida prima che la solidificazione sia completa. La modalità con qui il calore viene rimosso determina il meccanismo di crescita della fase solida (planare/dendritica). L'accrescimento compatto (o planare) avviene per movimento di un'interfaccia piana liquido-solida nel liquido. La temperatura del metallo liquido all'interfaccia è maggiore della temperatura di solidificazione, mentre quella del solido è inferiore a tale temperatura. Nel momento in cui inizia a generarsi una particella di fase solida questa differenza di temperatura fa si che ogni protuberanza solida che si forma all'interfaccia e tenta di crescere è circondata da un liquido con temperatura maggiore di quella di solidificazione bloccando quindi momentaneamente la crescita. Struttura molto complicata da raggiungere industrialmente. L'accrescimento dendritico avviene quando raffreddiamo il liquido al di sotto della temperatura di fusione. Nasce la piccola pretuberanza solida detta dendrite e cresce sviluppando ramificazioni con il fine di disperdere il calore latente in modo più efficace, questo fino a che la temperatura del liquido torna alla temperatura di fusione. La solidificazione si completa tramite il meccanismo di crescita planare per il liquido restante. Il tempo di solidificazione Il tempo di soldificazione su macrostruttura si ricava mediante la relazione di Chvorinov, con il tempo ricavato riusciamo a gestire meglio il processo produttivo. La relazione è data da: B costante dello stampo (dipende la materiale dello stampo e il mat. da colare e a che temperatura), V è il volume del getto e A è la superficie di scambio tra getto e stampo. Il tempo di solidificazione su microstruttura influisce sulle dimensioni delle dendriti, in particolare, sulla distanza tra i bracci secondari dendritici SDAS. Tramite la relazione empirica determiniamo il tempo. Le costanti k e n dipendono dalla composizione del materiale, k dalla chimica e n è quasi sempre di valore 1/3. Piccoli valori di SDAS sono associati ad elevati valori di resistenza e duttilità. Le macrostrutture di solidificazione Analisi dell'intera massa solidificata ovvero del lingotto o getto. La macrostruttura è composta da tre regioni: Zona fredda (chill zone). Caratterizzata da una banda stretta e superficiale al pezzo, grana fine e equiassica, orientata in modo casuale. La sua formazione è dovuta dalla fredda superficie in contrasto con il metallo liquido. Zona colonnare. Caratterizzata da grani allungati e orientati in direzione opposta allo scambio di calore, paragonabili a delle fibre (Questa struttura è molto resistente se le sollecitazioni sono perpendicolari all'orientamento delle fibre). I grani possono essere composti da dendriti se il liquido è sottoraffreddato altrimenti planare. Zona equiassica. Costituita da grani equiassici orientati in modo casuale a causa di una bassa temperatura. Si ha anche alta concentrazione di elementi inoculanti e grani di dimensione mediamente più grande rispetto a quelli della chill zone. Generalmente vogliamo evitare un eccesso di inoculante al centro quindi ne va limitata la quantità altrimenti il materiale è quasi impossibile da lavorare. I difetti di solidificazione I difetti comunemente riscontrati a livello industriale: Premessa Con rafforzamento si intende l'innalzamento del limite elastico. Studiamo i metodi per ostacolare il movimento delle dislocazioni (difetti cristallini) per ritardare il passaggio da campo elastico a plastico. Imponiamo questo limite perchè vogliamo far lavorare il componente come se fosse una molla pertanto vogliamo che non superi la tensione massima del campo elastico. Maggiore sarà la tensione sopportabile più potremmo alleggerire la sezione del componente per ridurne i costi. Rafforzamento per affinazione del grano I giunti/bordi dei grani sono molto efficaci nel rallentare le dislocazioni grazie alla differenza di orientazione cristallografica dei grani adiacenti. Per superare questi bordi le dislocazioni necessitano di molta energia. Con l'affinazione del grano, riduciamo la dimensione dei grani cristallini e aumentiamo la superficie complessiva dei bordi di grano. Questo ostacola il movimento delle dislocazioni e porta a un rafforzamento del materiale. Questo può essere fatto con: il controllo della solidificazione attraverso la tecnica di inoculazione o l'aggiunta di elementi affinanti quali Nb, Ti e Al che riducono i fenomeni di ingrossamento della grana. L'affinazione è l'unica tecnica che incrementa limite elastico, durezza, tensione di rottura, tenacità del materiale e abbassa la temp. di transizione duttile-fragile. Gli altri meccanismi di rafforzamento hanno gli stessi incrementi eccetto per la tenacità che diminuisce. Per diversi metalli puri, il limite di snervamento σs varia con la dimensione media del grano d secondo la relazione empirica di Hall-Patch, dove: σi è la tensione per muovere le dislocazioni entro un grano di dimensioni elevate e k costante che dipende dal reticolo e temperatura. L'espressione di Hall-Patch è valida fino alla temperatura di equicoesione dalla quale in poi la resistenza dei grani diventa maggiore di quella del giunto del grano. Pertanto, a temp. inferiori, si ha una frattura di tipo transcristallino e a temp. superiori intercristallina. Per componenti che lavorano a temp. inferiori si preferisce grana fine mentre a temp. superiori il monocristallo. I coefficienti σi e k sono ricavabili rappresentando su un diagramma tramite l'interpolazione dei punti di d^-1/2 (sull'orizzontale) e σs (sulla verticale). Rafforzamento per soluzione solida L'aggiunta di atomi estranei al materiale principale produce a livello atomico una distorsione del reticolo, tale da ostacolare il movimento delle dislocazioni principalmente per la differenza di raggio atomico tra solvente e soluto. Peraltro il rafforzamento dipende dalla distribuzione degli atomi di soluto spiegato in Cap. 6.3. Le atmosfere di Cottrel attuano un azione di ancoraggio nei confronti delle dislocazioni. L'aggiunta di elementi porta ai seguenti miglioramenti: tensione di snervamento, tensione di rottura e durezza, l'allungamento a rottura diminuisce. La tensione di snervamento cresce con la concentrazione del soluto. Possiamo applicare Hall-Patch che tiene conto del tipo e della quantità di elementi aggiunti. (Vale per le leghemetalliche). Dove: Ci è il coeff. di indurimento e Xi è la concentrazione percentuale in peso. Esempi applicativi Prendendo una lega Al-Mg vediamo come la percentuale di soluto influenzi la curva di trazione, aumentando tensione di snervamento e rottura. Per leghe a base rame notiamo la grande differenza di caratteristiche tra Cu-Be, Cu-Sn (Bronzi) e Cu-Zn (Ottoni), in particolare per piccole quantità aggiunte il Berilio conferisce una tensione allo snervamento molto alta. Il ferro può essere rafforzato con l'aggiunta di C e N, in particolare per rafforzamento per diffusione. Con il fosforo P acciai armonici che hanno ottime caratteristiche e buone prestazioni nello stampaggio, adatto per soluzioni più economiche. Applicazioni con P: gru, benne, lampioni, container. Il silicio Si ci da gli acciai armonici usati per le molle. I punti negativi dell'aggiunta di elementi è la diminuzione complessiva della tenacità e l'incremento della temperatura di transizione duttile- fragile. Per ovviare alla TTDF viene aggiunto il nichel Ni. Rafforzamento per precipitazione di una fase Le tecnologie per la deformazione a freddo sono: Laminazione (rulli), imbutitura (pentole, schiaccia), estrusione (materiale spinto), piegatura (per telaio auto), trafilatura (per i fili, tirare). 10 - Incrudimento e ricristallizzazione La ricottura di ricristallizzazione Il materiale dopo una deformazione a freddo (incrudito) è in uno stato metastabile è tende a diminuire l'energia interna. Velocizziamo questo processo con una temperatura 0,4 volte la temperatura di fusione del materiale in modo da ripristinarne la duttilità. Questo processo, chiamato ricottura, consente di ripristinare la duttilità del materiale dopo la deformazione a freddo, permettendo cicli successivi di lavorazione senza compromettere le proprietà meccaniche. La ricottura va controllata in temperatura ma anche in tempo, troppo tempo porta ad avere una grana cristallina sempre più grossolana. Per un ottone (Cu-Zn) a 580°C per 8 secondi ha una grana sufficientemente fine. 12 - Diagrammi e diagramma Fe-C Concetti preliminari sui diagrammi di stato Lo stato termodinamico del sistema che definisce la stabilià: metastabile o stabile è dato da Pressione, Temperatura, Composizione chimica e volume. Il diagramma di stato (o di equilibro) è una rappresentazione grafica che ci permette di capire quali sono le proprietà del materiale (lega metallica) in condizioni di equilibrio termodinamico. Quante e quali sono le fasi e che composizione e in che quantità sono nel sistema conoscendo solo temperatura e composizione della lega. Regola delle fasi o equazione di Gibbs ci permette di determinale la varianza del sistema, cioè il numero di variabili termodinamiche indipendenti che possiamo cambiare liberamente senza alterare lo stato di equilibrio del sistema. Oppure il numero di variabili indipendenti che devo definire per conoscere lo stato termodinamico del sistema. Dove: n è il numero di componenti del sistema (2), f il numero delle fari presenti e fì fattori fisici attivi (1) Leva inversa per trovare la quantità delle fasi Diagrammi di stato binari Introduzione al diagramma Fe-C Ferro + Carbonio tra loro formano il Carburo di Ferro Fe3C, contentente il 6,67% in peso di C, denominata cementite (intermetallica), è una fase metastabile. Analizziamo solo le leghe con tenore di carbonio tra 0-6,67%. Il ferro puro Ricordiamo le varie temperatura di fusione del ferro puro allotropico a Cap. 4.4, a seconda delle temperatura varia anche la costante reticolare (grandezza delle celle elementari). Il carbonio ha una solubilità massima nel ferro γ (Fe-Gamma) pari al 2,06% a 1147°C. Nel ferro α (Fe-Alpha), la solubilità è quasi nulla, solo lo 0,02% a 723°C, una fase di solito poco rilevante. Nel ferro δ (Fe-Delta), la solubilità massima è dello 0,1% a 1493°C, alla temperatura peritettica. Fasi e costituenti strutturali Studio delle fasi e costituenti strutturali che si presentano durante la fase di solidificazione. In particolare il secondo caratterizza la lega a livello microscopico e ne definisce le proprietà. FASI: fase liquida, fase δ (γ, α) o cristalli di Fe-δ (Fe-γ, Fe-α) o cristalli di soluzione solida δ (γ, α). COST. STRUTTURALI: ferrite α, cristalli di Fe-α con piccolissima percentuale di C; austenite, cristalli di Fe-γ con significativi tenori di C; ferrite δ, cristalli di Fe-δ con piccola percentuale di C; cementite, ovvero Fe3C con il 6,67% di C. COST. STRUTTURALI ETEROGENEI: ledeburite, formato da austenite+cementite; perlite, ferrite α+cementite. Punti critici Le temperature alle quali avvengono trasformazioni da una varietà allotropica all'altra vengono indicate con la lettera A (anomalia). Questi punti sono presenti solo per concentrazioni minori di 2,03% quindi per gli acciai. A4: tratto NJ -> ferrite δ-austenite Acm: tratto SE -> austenite-cementite (solo acciai ipereutettoidici 0,8<x<2,03) A3: tratto GSM -> austenite-ferrite α A2: tratto 769° e SM -> temperatura di Curie -> cambiamento comportamento magnetico A1: tratto PM -> austenite eutettoidica-perlite Fenomeni alla solidificazione degli acciai PARTE ALTA DEL GRAFICO Leghe tenore di carbonio minore o uguale allo 0,51% Ricorda i tratti di liquidus e solidus (ricavateli) e tratto HJB è l'orizzontale peritettica. Max solubilità del C nel Feδ si ha a temperatura peritettica con 0,10% (peritettica è rovescio di eutettica) Punto peritettico a 0,16% C abbiamo Liquido+Austenite+ferrite δ in copresenza a 1493°C Leghe con tenore di carbonio compreso tra lo 0,51% e il 2,06% Non è interessata da trasformazione peritettica Elevata concentrazione di cementite, usata per colata su stampi per evitare il più possibile le lavorazioni meccaniche. Vengono usate principalmente ghise a 4,3% C perchè sono basso-fondenti o al massimo IPOeutettiche Leghe con tenore 4,3% C anche dette eutettiche 13 - Trasformazioni isoterme e anisoterme degli acciai Introduzione Con trattamenti termici si intendono le operazioni "termiche" a cui vengono sottoposti i materiali metallici allo stato solido, allo scopo di ottenere una struttura con determinate proprietà fisico-meccaniche. Si possono riassumere in: riscaldamento del materiale, mantenimento ad una certa temperatura e raffreddamento. Precisiamo i dettagli delle seguenti modalità. Curve di Bain (curve TTT) per un acciaio di composizione eutettoidica Lo studio della cinetica delle trasformazioni dell'austenite, mantenuta a temperatura costante, è stato sviluppato da Bain. Considerato un acciaio eutettoidico (0,8% C) in provini di dimensioni di una moneta vengono eseguiti i seguenti passaggi: 1) riscaldamento del campione a T1 superiore a 723° (A3/A1 campo austenitico); 2) Trasferimento istantaneo ad una vasca con T2 minore a 723°; 3) Mantenimento per un tempo t; 4) Prelievo e raffreddamento a T ambiente immediato con successiva indagine della quantità di austenite trasformata. Variando il T2 e t si va a ricavare la curva TTT (Temperatura-Tempo- Trasformazione) che ci descrive le varie trasformazioni del metallo. La linea " i "di inizio trasformazione e " f " di fine trasformazione. A destra delle curve troviamo austenite instabile mentre a sinistra il materiale già trasformato. Alla fine troviamo Ms e Mf che indicano Martensite start e finish, in questo caso la trasformazione non è più isotermica ma si ha per un raffreddamento fino a T2 inferiore a Ms. Se la trasformazione in martensite non avviene completamente nel materiale il restante diventa bainite. Curve di trasformazione dellʼaustenite con raffreddamento continuo (o curve CCT) Le curve Continuous Cooling Transformation, a differenza delle curve TTT a trasformazione isotermica, seguono un raffreddamento continuo. Le curve risultano spostate a destra e più basse. Nel grafico vediamo gli esempi alcuni raffreddamenti per un acciaio eutettoidico. Effetto dell'aggiunta di elementi in lega Elementi che modificano le curve TTT sono in modo particolare: Ni, Cr, Mo e separano le curve di perlite e bainite in base alla quantità aggiunta. Trattamenti termici con riscaldamento a temperatura superiore allʼintervallo dei punti critici (A1/A3) Ricottura: Ha l'obiettivo di addolcire il materiale per renderlo più facilmente lavorabile e per rimuovere eventuale incrudimento. Si ottiene eseguendo: riscaldamento a T maggiore di A1/A3; mantenimento per una completa austenitizzazione; raffreddamento lento. Normalizzazione: Si ottiene una struttura più dura rispetto alla ricottura, si esegue con gli stessi passaggi ma con raffreddamento finale all'aria. La grana è molto fine e regolare. Ha carico di snervamento e rottura maggiori allo stato ricotto.