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Il candidato descriva le caratteristiche e la struttura della ghisa sferoidale. Come si ottiene
questa ghisa rispetto alle altre tipologie del medesimo materiale?
Le ghise sferoidali sono costituite da una matrice metallica (ferritico, perlitica o mista) all’interno dela quale sono disperse particelle di grafite sferoiale. La forma sferica della grafite è ciò che le conferisce proprietà molto più simili ad un buon acciaio. Ottima colabilità e resistenza alle vibrazioni. Resistenza, tenacità e duttilità migliorate dalla forma sferica. La microstruttura varia secondo il trattamento termico cui viene sottoposta e alla composizione: ferrtica (max duttilità, tenacità e resistenza), perlitica (maggiore ristenza e durezza ma minore allungamento sotto sfforzo), ferriticco-perlitica: compromesso tra resistenza e duttilità. La differenza fondamentale rispetto alle altre ghise sta nel trattmento di sferoidizzazione. La ghisa liquida prima della coltura viene trattata con piccole quantità di magnesio che ha la capacità di modificare il modo in cui la grafite precipita durante la solidificazione: invece di formare lamelle si trasforma in noduli sferici. Dopo la sferoidizzazione si proede co la inoculazione per stailizzare e affinare i noduli di grafite. In conclusione la ghisa sferoidale si distngue dalle altre perchè la grafite precipita in forma sferoidale grazie all’aggiunta controllatadi Magnesio nel baggno fuso. Questo processo modifica competamente la morfologia della grafite ottenendo dei noduli che non generano conentrazione di tensone. La microstruttura risultante conferisce una obinazione di resistenza, duttilità e tenacità che la rende più simile ad un acciaio che a qualsisi altro tio di ghisa.
Quesito n.1 (punteggio massimo attribuibile: 8 punti)
Il candidato descriva i principali meccanismi di ra orzamento per i materiali metallici
La resistenza dei materiali metallici dipende in modo diretto dalla facilità con cui le dislocazioni possono muoversi nel reticolo cristallino.tutti i meccanismi di rafforzamento hanno quindi lo stesso obiettivo: rendere più difficile lo scorrimento delle dislocazioni aumentando così la resistenza e la durezza del materiale. I principali meccanismi sono: RAFFORZAMENTO PER AFFINAMENTO DEL GRANO: I bordi di grano costituiscono già un forte ostacolo al moto delle dislocazioni. Nella maggioranza dei casi le applicazioni industriali prevedono l’utilizzo di leghe metalliche composte da due o più soluzioni solide. La presenza dei grani di soluto rappresenta una distorsione del reticolo e rende più difficile il movimento delle dislocazioni. Maggiore distorsione uguale maggiore rafforzamento. Si basa sull’introduzione di atomi estranee nel reticolo del metallo di base. Questi atomi possono essere sostituzionali o interstiziali. Nelle soluzioni solide interstiziali si verifica il congelamento veloce degli atomi nelle posizioni interstiziali che crea una soluzione solida, sovra satura molto dura. Nelle soluzioni solida costituzionale, l’aggiunta di elementi in lega oltre al limite di solubilità a temperatura ambiente ed il successivo riscaldamento eseguito da brusco raffreddamento determinano la precipitazione di particelle di seconda fase in corrispondenza dei bordi Di Grano. INCRUDIMENTO: la resistenza offerta da un materiale alla deformazione plastica aumenta con il procedere della stessa. Dopo lo snervamento il materiale richiede un maggiore carico per poter essere deformato. Il materiale si incrudire e piano piano diminuisce la sua sezione. Nonostante la maggiore resistenza sarà meno duttile fino al punto di rottura. Per evitare il problema della duttilità del materiale, si procede al trattamento di ricottura e successivo raffreddamento. RECOVERY: avviene a temperature più basse e prevede il riassetto parziale dei difetti all’interno della struttura deformata. RICRISTALLIZZAZIONE: qui si formano nuovi grani perfetti liberi da tensioni interne con basso contenuto di difetti. I grani si accrescono progressivamente fino a sostituire la vecchia struttura di quelli incruditi. ACCRESCIMENTO DEL GRANO: prolungando il riscaldamento del materiale e temperature elevate viene ridotta l’energia interfacciale e si ottengono dei grani grossolani e un materiale con scarse proprietà meccaniche a basse temperature.
L'azienda presso l a quale lavora il candidato deve realizzare i bracci delle sospensioni di
un autoveicolo per trasporto urbano. Che tipologia di ghisa vi sentireste di suggerire?
Quali sono le caratteristiche e la struttura della ghisa alla quale state pensando? Come si
ottiene questa ghisa rispetto alle altre tipologie del medesimo materiale?
Per un braccio di sospensione, che deve sollevare ingent carichi e sopportare forti vibrazioni, la scelta migliore è quella delle ghise sferoidali. Queste combinano resistenza meccanica, tenacità e duttilità. Le ghise lamellari o bianche sarebbero troppo fragili mentre le mallabili richiederebbero costi elavorazioni molto alti. Le caratteristiche fondamentali delle ghise sferoidali si riducono alla morfologia della grafite, che non si presenta in lamelle ma in noduli sferici finemente distribuiti nella matrice ferritica, perlitica o mista.in questo caso sarebe migliore la matrice mista per ottenere l’equilibrio ottimale tra l proprietà. Hanno ottima resistenza a trazione, ottim tenacità, buona resistenza a fatica e alle vibrazioni e buona colabillità. Per i bracci delle sospensioni suggerirei la ghisa sferoidale, perché è l’unica ghisa che unisce resistenza, tenacità e duttilità sufficienti per componenti soggetti a carichi dinamici. La sua struttura è caratterizzata da grafite in forma sferoidale, che non genera concentrazioni di tensione e permette alla matrice ferritico-perlitica di deformarsi senza fratturarsi. Questa morfologia si ottiene trattando la ghisa liquida con magnesio o terre rare, che modificano la crescita della grafite impedendo la formazione lamellare tipica della ghisa grigia. Il risultato è un materiale molto più simile a un acciaio in termini di comportamento meccanico, ma con i vantaggi di colabilità e smorzamento tipici delle ghise.
Lo studente indichi un acciaio da sottoporre a trattamento termochimico di Cementazione ed
uno
da sottoporre a Nitrurazione. Perché nel primo caso è opportuno sottoporre il pezzo ad una
tempra finale in due tempi? Equale elemento in lega è sempre presente negli acciai per
Nitrurazione?
Un acciaio classico da cementazione è il 20NiCrMo2-2, con un basso tenore di carbonio nel cuore che permette di mantenere una buona tenacità interna e contiene elementi che ne migliorano latemprabilità dello stato cementato. Laceentazione serve ad aumentare il tenore di carbonio superficiale, portandolo a 0,8%, cosi daottenere unasuperficie molto dura ed un cuore che resta tenace. Un acciaio tipico da nitrurazione è 31CrMoV9. La caratteristicaprincipale per questo tipo di lavorazione è la presenza di alluminio, il quale ha una fortissima affinità con l’azoto e permette la formazione di nitruri molto duri. Nel primo caso è importante effettuare una tempra in due tempi perchè, dopo la cementazione, il materiale ha uno strato superficiale ad alto tenore di carbonio ed un cuore a basso tenore di carbonio. Questi due strati non hanno la stessa temprabilità o stessa velocità di trasformazione. Pr ottenere una migliore microstruttura si svolge una tempra in due tempi: la prima, quella superficiale, dove si porta il pezzo a temperature da austenizzazione (solo lo strato cementato) che ha punto critico più basso per la maggiore presenza di carbonio. In questo modo viene trasformato lo strato superficiale in martensite dura menre il cuore resta tenero. La seconda tempra riguardail cuore e si porta il pezzo ad una temperatura più elevata, sufficiente all’austenizzazione del cuore, che ha un punto critico più alto perchè poveero di carbonio. Questo procedimento serve ad uniformare le tensioni interne, migliorare la tenacità del cuore, evitare cricche da tempra ed ottenere una struttura interna più omogenea. Per la cementazione è meglio un acciaio a basso tenore di carbonio, mentre, per la nitrurazione un acciaio ricco di alluminio. Nella cementazione è necessaria una doppia tempra a causa della differente temprabilità degli strati interni ed esterni. La prima serve ad indurire la superficie rendendola martensite, la seconda serve ad uniformare la struttura del cuore e ridurre le tensioni interne. Negli acciai da nitrurazione è sempre preseente l’alluminio per la formazione di niruri duri che possano conferire allo stato nitrurato una elevata durezza.
Quesito n.1 (punteggio massimo attribuibile: 8 punti)
Il candidato descriva quali trattamenti termici vengono eseguiti sulle leghe di alluminio. Cosa
si intende per tempra delle leghe di alluminio? Tutte le leghe di alluminio possono essere
sottoposte a questi trattamenti?
Quesito n.1 (punteggio massimo attribuibile: 8 punti)
Il candidato descriva le caratteristiche peculiari del diagramma di stato con trasformazione
peritettica.
L’alluminio a differenza dell’acciaio non mostratrasformazione allo stato solido e non può essere temprato per ottenere marrtensite. Il loro rafforzamento avviene tramite una lavorazione basata sulla formazione di precipitati. I trattamenti tipicamente usati sono: RICOTTURA: serve ad eliminareincrudimento, aumentare la duttilità e facilitare la formatura. STABILIZZAZIONE: utile nelle leghe alluminio-magnesio per ridurre la sensibilità alla orrosione e queste leghe non possono esere temprate. SOLUBILIZZAZIONE: la lega viene riscaldata ad una temperatura tale da far sciogliere gli elementi in lega nella matrice di alluminio, fomando una soluzione sovrassatura. TEMPRA DELLE LEGHE DI ALLUMINIO: serve a bloccare in soluzione solida sovrassatura gli elementi in lega, impedendo loro la precipitazione durante il rafreddamento. INVECCHIAMENTO: dopo la tempra, la lega è in uno stato metastabile. Gi aatomi intrappolati iniziano adiffondersi e formare precipitati finissimi, che ostacolano il movimento delle dislocazioni e questo ne produce l’indurimento. Solo alcune leghe di alluminio che formano precipitati possono essere trattate termiamente. Le leghe di alluminio possono essere sottoposte a trattamenti non indureti, come la ricottura, oppure a trattamenti indurenti basati slla precipitazione. Le leghe trattabili termicamete vengono solubilizzate, temprate e poi invecchiate. La tempra dell’alluminio non serve a formare martensite ma a bloccare in soluzione solida sovrassatura gli lementi di lega, preparando la lega al’invecchiamento. Non tutte le leghe di alluminio possono essere trattate termicamente, solo quelle che formano precipitati duri. Un diagramma di stato con trasformazione peritettica è caratterizzato da un punto invariante in cui una fase solida già formata, ad alte temperature, reagisce con il liquido residuo per formare una seconda fase solida. La reazione avviene soitamente a temperatura costante e genera microstrutture complesse L+a=B, perchè la fase beta cresce attorno all fase alfa, ostacollando la diffusione e rendendo difficile il completamento della trasformazione. Un esempio è la zona del diagramma ferro carbonio carattrizzata dalla temperatura attorno ai 1400°C ed un tenore di carbonio di 0,16%C in cui delta+L=y.
Il candidato descriva le principali caratteristiche ed i campi di applicazione per i seguenti acciai:
• C 16
• 42 Cr Mo 4
• X 80 W Cr Va 18 41
• X 2 Cr Ni 189
Il primo è un acciaio nno legato con un tenore di carbonio del 0,16%, le sue caratteristiche principali riguardano: alta duttilità, buona tenacità, ottima saldabilità e buona temprabilità e lavorabilità. È un acciaio tenero adatto a componenti che non richiedono elevate resistenze. Il secondo è un acciaio da bonifica composto da: carbonio 0,42%, cromo 1%, molibdeno 0,4%. Gli elementi in lega conferiscono alta temprabilità, resistenza meccanica, ottima tenacità, buona resistenza a fatica e all’usura. Molto usato per componenti meccaniche quali alberi, ingranaggi e qualsiasi componente sottoposta ad alti carichi dinamici. Il terzo è un acciaio rapido composto da: carbonio 0,8%, tugsteno che rende carburi duri e aumenta la stabilità a caldo, cromo che ne aumenta temprabilità e resistenza all’ossidazione, vanadio che rende pi fini i carburi e aumenta la resistenza all’usra. La ua caratteristica principale è quella di mantenere ladurezza anche ad alte temperature. Molto utilizzato nelle applicazioni in cui si richiede resistenza ad usura combinata con durezza a caldo. Il quarto è un acciaio inossidabile austenitico delle leghe cromo carbonio nichel, compost da carbonio 0,2%, cromo al 18% e nicel al 9%. Le sue caratteristiche principali sono: la grande resistenza all’usura, ottima sldabilità, alta tenacità e duttilità e buona resistenza a basse temperature. Ha grandi applicazioni industriali e arredamento, usato anche in campo chimico, alimentare e criogenico.
Quesito n.2 (punteggio massimo attribuibile: 8 punti)
Il candidato descriva le principali caratteristiche ed i campi di applicazione per i seguenti
materiali:
• C
• X5 Cr Ni 18 10
• AA 2024 T
• Ti6AI4V
Il primo è un acciaio non legato al 0;12% di carbonio, caratterizzato da alta duttilità, saldabilità, buona formabilità al freddo, bassa resistenza meccanica e temprailità molto scarsa. Usato quando servono duttiità e facilità nella lavorazione e resistenza bassa. Il secondo è un acciaio austenitico poco legato della lega cromo carbonio nichel con rispettivi tenori 18%, 10% e 0,05%. Cromo e nichel garantiscono ata duttilità e tenacità, buona resistenza a basse temperature e non è magnetico. Trova larga applicazione nei campi dell’industria chimica e farmaceutica, alimentare e meccanica. Il terzo è una lega di alluminio formata da rame 4,4%, magnesio 1,5% e manganese 0,6%, T8 segna invece il pocesso di lavorazione: solubilizzazione, tempra e lavorazione a freddo e invecchiamento. È una lega con altissima resistenza meccanica, ottima esistenza a fatica, buona stabilità dimensionale e bassa resistenza alla corrosione. Le sue applicazioni sono in campo aeronautico, meccanica leggera e parti soggette a fatica. Il quarto è una lega di ttanio composta da alluminio 6% e vanadio 4%. Ha altissimo rappoto resistenza/peso, eccellete resistenza alla corrosione e al caldo, buona tenacità ma bassa densità. Trova applicazione in aeronautica, meccanica e biomeccanica.
Quesito n.2 (punteggio massimo attribuibile: 6 punti)
Cos'è la Martensite? Quali vantaggi, ma anche quali problematiche determina la formazione
della Martensite?
La martensite è una fase metastabile dell’acciaio che si forma per trasformazione dell’austenite durante la tempra. Ha struttura distorta e conferisce durezza e resistenza molto elevata. Tutavia è molto fragile, contiene forti tensioni interne. Può generare cricche da tempra. Per questo viene quasi sempre rinvenuta. La martensite è fondamentale per ottenere acciai ad alta resistenza, ma richiede un controllo accurato del tratamento termico.
Quesito n.2 (punteggio massimo attribuibile: 6 punti)
lI candidato descriva le principali caratteristiche ed i campi di applicazione per i seguenti
acciai:
• C
• X5CrNi
• 50CrMo
• X35CrWMoV
Il primo è un acciaio non legato, prsenta alta duttilità, saldabilità e formabilità aal freddo ma bassa resistenza meccanica e tempabilità mlto scarsa. Utilizzato quando serve deformabilità e facilità di lavorazione con bassa resistenza. Il secondo è un acciaio austenitico poco legato della lega cromo carbonio nichel con rispettivi tenori 18%, 10% e 0,05%. Cromo e nichel garantiscono ata duttilità e tenacità, buona resistenza a basse temperature e non è magnetico. Trova larga applicazione nei campi dell’industria chimica e farmaceutica, alimentare e meccanica. Il terzo è un acciaio da bonifica con carbonio 0,5%, cromo 1% e molibdeno 0,4%. Gli elementi in lega garantiscono alta temprabilità, elevata resistenza meccanica, ottima tenacità, buona resistenza a fatica e all’usura. Usato per alberi di trasmissione, ingranaggi e componenti sottoposti a forti carichi. Il qurto è un acciaio rapido composto da: carbonio 0,35%, tugsteno che rende i carburi molto duri e il materiale più stabile al caldo, cromo che ne aumenta tenprabilità e resistenza all’ossidazione, molibdeno che ne aumenta la resistenza a caldo, il vanadio che rene più fini i carburi e aumenta la resistenza all’usura. Applicazioni in campo utensile.
Quesito n.2 (punteggio massimo attribuibile: 7 punti)
Il candidato descriva le esperienze di Bain e chiarisca le differenze tra le curve TTT e le curve CCC.
Perché queste curve sono fondamentali nella pratica? Qual è il ruolo degli elementi in lega sulle
curve CCC?
Le esperienze di bain hanno permesso di identificare la bainite e di comprendere che l’austenite può trasformarsi in modi diversi a seconda della temperatura e della velocità di raffreddamento. Le curve TTT escrivono trasformazioni isoterme, mentre le curve CCC rappresentano il comportamento reale a raffreddamento continuo, sono entrambe fondamentali perchè permetton di prevedere la microstruttura finale, scegliere in trattamento termico corretto e determinare la velocità critica di tempra. Gli elementi in lega spostano le curve CCC verso destra, rallentano le trasformazioni e aumentano la temprabilità, facilitando la trasformazione di martensite o bainite. RIFARE DAL LIBRO
Quesito n.2 (punteggio massimo attribuibile: 6 punti)
Il candidato descriva i trattamenti termo-meccanici di cui è a conoscenza. Come vengono
classificati? Quali meccanismi di ra orzamento vengono utilizzati?
I trattamenti termomeccanici abbinano all’effetto di un ciclo di trattamenti termici ad alte temperature, la contemporanea azione meccanica delle deformazioni plastiche a caldo, unendoli in modo controllato per ottenere specifiche proprietà. Qesti processi sono classificati in tre gruppi principali a seconda che la defomazione plastica sia applicata prima o dopo o durante la trasformazione dell’austenite in perlite, bainite o martensite. PRIMA abbiamo la lainazone ontrollata applicata comunemente agli acciai di uso generale. La deformazione è applicata all’acciaio sopra il punto di austenizzazione con laminazione in più passate successive in modo tale che l’ultima deformazione avvenga a temperatura poco più alta della temperatura di austenizzazione.questo trattaento consente di ottenere proprietà nettamente migliori, dovuto sopratutto all’affinamento del grano austenitico ad alte teperature. Il trattamento termomeccanico ad alte temperature con struttura mrtensitca comporta un riscaldamento a teperatura di austenizzazione, seguito da deformazione lastica in uo o più stadi o da un raffreddamento fino a temperatura ambiente per ottenere struttura martensitica spesso seguita da rinvenimento. Il miglior compromesso di proprietà meccaniche si ottiene quando la velocità di deformazone è elevata ed il tempo di deformazione è molto breve. Infine abbiamo l’ausforming che consite in un riscaldamento sopra la temperatura di austenizzazione ed è seguito da un rapido raffreddamento fino a temperatura martensitica e da una deformazine a temperatura costante dell’austenite instabile, infine vi è un raffreddamento rapido per ottenere una struttura martensitia o bainitica. DURANTE il principale è l’isoforming dov’è previsto un riscaldamento sopra austenizzazione ed un raffreddaento fino a circa 600°C, la deformazione plastica a temperatura costante viene eseguita prima, durante o dopo la trasformzione perlitica ed il raffreddamento fino a temperatura amiente. Si applica generalmente su acciai basso legati e porta ad una struttura perlitico-ferritica fine che permette miglioramento della tenacità e resistenza. DOPO si distinguono due principali mecanismi, il pelitoforming ed il marforming. La prima è ladeformazione dell’acciaio della temperatra di austenizzazion alla fine della trasformazione perlitico-ferritica. Questa porta ad una struttura con matrice ferritica e particelle submicroscopiche di cementite sferoidale disperse che ne migliora la resistenza agli urti. La deformazione della martensite viene applicato agli acciai al carbonio basso legati dopo la tempra martensitica ed aumenta durezza e limite di snervamento.
Quesito n.2 (punteggio massimo attribuibile: 8punti)
Il candidato descriva le principali tipologie di fibre e matrici per la produzione di materiali
compositi, evidenziandone le caratteristiche meccaniche ed i settori di applicazione. Descriva
altresi le tecnologie di filament winding e pultrusione.
Le matrici si dividono in tre grandi gruppi: polimeriche, metalliche e ceramiche, ognunca con caratteristiche e campi di applicazione differenti. Le matrici olimeriche si dividono in termoindurenti e termoplastiche. Le prime sono polimeri che, unavolta formati, non posso essere rifusi e riformati. Hanno bunoa resistenza termica e alta stabilità diensionale. Le matrici termoplastiche sono polimeri che possono essere rimaneggiati più volte ed anno elevata tenacità e resistenza all’impatto. Le matrici metalliche sono tipicamente a base di alluminio, magnesio o titanio, hanno caratteristiche di altissima resistenza al caldo e ottima conducibilità temica, buona resistenza all’usura. Infine le matrici ceramiche possiedono eccezionale resistenza ad altissime temperature e all’ossidazione, elevata rigidità e stabilità dimensionale. Il filament winding è una processo controllato di avvolgimento di fibre impregnate su un mandrino rotante.. La fibra di rinforzo viene fatta passare attraverso un bagno di resina e avvolta su opportuno mandrino, quando è stato applicato un sufficiente numero di strati, il pezzo è indurito a temperatura ambiente e separato dal mandrino. Il processo si svolge con fibre di vetro, carbonio e aramidiche. Plotrusione continua: è un processo continu in cui le fibre vengono tirate attraverso una matrice riscaldata che conferisce forme e polimerizza a resina permettendo profili con sezione costante e perfetto orientamento delle fibre. I trefoli di fibre continu vengono impregnati di resina e fatti passare, per effetto dell’azione dei rulling machanism, attraverso uno stampo in acciaio riscaldato. Si ottiene cosi elevata resistenza meccanica, sia per l’orientamento delle fibre, sia per la loro elevata concentrazione.
Il candidato descriva cosa si intende p e r durezza del materiale. Quali sono le principali
metodologie per misurarla e per cosa di eriscono? Quali accorgimenti vanno adottati a nché
la misura possa essere ritenuta valida?
La durezza è la capacità del mteriale di resistere a penetrazione, può essere correlata alla resistenza all’usura. Dipendentemente dalla durezza del materiale, a causa del carico, il penetratore lascerà un soco sul provino: più piccolo è il solco e più il materiale viene considerato duro. Le prove di durezza sono: ProvaBrnell: consiste nel far penetrare nel materiale in esame una sfera di acciaio duro premuto con forza F. È adatto per provini spessi e materiali eterogenei che non abbiano durezza troppo elevata. Prova Vickers: consiste nel far penetrare nel materiale in esame una piramide di diamante retta a base quadrata, premuta con forza F. Si adatta pr materiali tneri e per materiali duri. Per ottenere una prova valida è necessario controllare lo stato dei penetratori, avere una superficie del provino standardizzata e aver scelto una scala adeguata e garantre asenza di vibrazioni o surriscaldamenti.
