SOLUZIONI SOLIDE
METALLICHE
Le Leghe
Combinazione di due o più metalli:
-resistenza meccanica maggiore
-resistenza alla corrosione più alta
-possibilità di agire su proprietà desiderate
LEGA: miscela di due o più metalli o di un metallo
con un non metallo.
Possono essere semplici o estremamente
complesse (super lega a base di nichel Iconel 718
cha ha circa 10 elementi)
la lega è una soluzione solida, ovvero un solido che
consiste in due o più elementi atomicamente
dispersi in una struttura monofase
esempi leghe
• ottone: È costituito da rame e zinco che può arrivare
fino al 40%; questa lega è molto diffusa nel campo della
rubinetteria.
• bronzo: È costituito da rame e stagno; lo stagno può
arrivare fino al 28% a seconda che la lega sia impiegata
per parti meccaniche, per la costruzione di campane
oppure per le sculture.
• peltro: È costituito da stagno, piombo, rame o antimonio
ed è particolarmente usato per vasellame e oggetti
d’arte.
• acciaio inossidabile: È un tipo di acciaio che contiene
anche cromo e nichel in percentuali variabili; l’aggiunta
di questi metalli rende l’acciaio particolarmente
resistente alla corrosione.
soluzioni solide sostituzionali
gli atomi del soluto vanno a sostituire atomi del solvente. Si
può avere distorsione del reticolo a causa delle dimensioni.
La frazione di soluto può variare, per avere solubilità >
occorre: regole di Hume-Rothery
-diametri elemento 1 e elemento 2 max 15% differenza
-stesse strutture cristalline
-se ho differenze di elettronegatività: composto
-stessa valenza
sistema
Differenza
raggio
atomico%
Differenza
elettronegativit
à
Grado di
solubilità allo
stato solido
Max solubilità
osservata allo
stato solido%
Cu-Zn
+ 3,9
0.1
alta
38,3
Cu-Pb
+36,7
0.2
Cu-Al
+ 11,7
0.3
Molto
0,1
bassa
moderata 19,6
soluzioni solide interstiziali
atomi di soluto fra atomi del solvente (atomi
piccoli che danno soluzioni di questo tipo:H2,
C, N2 e O2.)
es.: ferro-γ: CFC stabile tra 912 e 1394 °C
con presenza di C fino a 2.08%
si ha distorsione del reticolo del ferro
raggio del vuoto del Fe in CFC è 0,053 nm
raggio atomico del C è 0,075 nm
LAVORAZIONE INDUSTRIALE METALLI E LEGHE
1.
2.
3.
4.
Metallo fuso
eventuale aggiunta di alliganti (es: Al+Mg)
rimozione impurezze di ossidi
colata semicontinua a raffreddamento diretto: si ha la
formazione prodotti intermedi
prodotti intermedi a forma di parallelepipedo
-bramme
-blumi
-billette
tramite deformazione
a caldo o a freddo
getti: prodotti ottenuti mediante
colata in uno stampo (es: pistoni)
prodotti finiti:
-nastri
-lamiere
-barre
-profilati
-tondini
-fili
-tubi
lavorazione dei semilavorati
1.LAMINAZIONE A CALDO
si possono ottenere prodotti finiti di notevole lunghezza
e sezione costante. Lavorando a caldo si possono
ottenere spessori minori per ogni passata.
Si scalda a T 1200°C e poi si lamina in un laminatoio
sbozzatore reversibile fino a che si raffredda, si riscalda
nuovamente fino a che lo spessore permette
l’avvolgimento a spirale
rappresentazione operazioni di
laminazione a caldo in un
laminatoio sbozzatore reversibile
lavorazione dei semilavorati
2.LAMINAZIONE A FREDDO
dopo al laminazione a caldo si fa una ricottura per
ridurre la durezza del metallo e rimuovere
incrudimenti
percentuale di riduzione di sezione a freddo di una
lamiera:
hiniziale hfinale
%riduzione
x100
hiniziale
anche questo è effettuato con laminatoio (singolo o
in serie)
lavorazione dei semilavorati
3.ESTRUSIONE
processo di deformazione per il quale un metallo
viene forzato a passare attraverso l’apertura di
una matrice per ridurne la sezione. Generalmente
usata per produrre barre a sezione circolare e
tubi ( a caldo)
-estrusione diretta
-estrusione inversa (forze di attrito e potenza
richiesta <)
lavorazione dei semilavorati
4. FORGIATURA
serve per deformare i metalli nelle forme desiderate,
a caldo
-al maglio: un maglio in caduta libera viene fatto
ripetutamente urtare sulla superficie del metallo
-alla pressa: vien applicata una lenta ma graduale
forza di compressione al metallo
-libera o stampo aperto: condotta tra due stampi
piatti o di forma semplice (alberi acciaio per turbine,
generatori elettrici)
-a stampo chiuso: si pone il metallo tra due stampi
che riproducono l’impronta del prodotto desiderato
(uno stampo solo o più stampi in successione)
processi secondari di formatura
trafilatura: è un importante processo con cui il
filo o tondino di metallo viene fatto passare
attraverso una o più matrici coniche di
trafilatura
processi secondari di formatura
imbutitura: la lamiera
subisce profonda
deformazione per
essere trasformate in
prodotti concavi
sistema di fissaggio
esaminiamo ora le proprietà di resistenza e duttilità
DEFORMAZIONE ELASTICA E PLASTICA
se un elemento metallico è sottoposto a una forza di
trazione subisce una deformazione
deformazione elastica: se ritorna alle sue dimensioni
originali; un metallo tollera una piccola deformazione
elastica perché gli atomi hanno leggera oscillazione,
non vanno ad occupare altri spazi
deformazione plastica: gli atomi del metallo vengono
allontanati permanentemente dalle loro posizioni per
assumere nuove posizioni reticolari. Proprietà molto
utile (es acciaio: grande deformabilità plastica senza
rompersi, vedi auto )
sforzo nominale σ: si definisce sforzo nominale
agente sulla sbarra cilindrica il rapporto tra la
forza media che agisce lungo l’asse della barra e
la sua sezione iniziale (unità misura 1Pa=1N/m2)
F
A0
deformazione nominale: quando si applica una forza di
trazione ad una barra, l’allungamento in quella direzione
è chiamato deformazione nominale
l l 0 l
l0
l0
generalmente la deformazione nominale è determinata su
un tratto utile e di solito è convertita in %
una deformazione elastica longitudinale è accompagnata da
una variazione delle dimensioni laterali. In presenza di un
comportamento isotropo –εx e - εz dovrebbero essere uguali
il rapporto
x y
laterale
longitudin ale z z
è definito modulo di Poisson
sforzo di taglio e deformazione di taglio
un altro metodo attraverso il quale un metallo può
essere deformato è l’azione di uno sforzo di taglio.
La relazione che li lega è la seguente:
( sforzoditaglio )
S ( forzaditaglio )
A(areasucuia giscelafor za )
la deformazione di taglio è definita dallo spostamento a e il lato h
a
tan
h
prova di trazione
la prova di trazione consente di valutare la
resistenza meccanica dei metalli e delle
leghe. Il metallo viene tirato fino a rottura in
breve tempo e con velocità costante
schema macchina di trazione
diagramma sforzo-deformazione
lega Al ad alta resistenza
provino con diametro 0,5 pollici e
un tratto utile di 2 pollici
sforzo MPa
i carichi della prova di trazione vengono riportati
in valori di sforzo nominale e si ottengono
diagrammi sforzo nominale vs deformazione
nominale
dalle prove di trazione si ricavano proprietà importanti
per la progettazione:
-modulo elasticità: nella prima parte della trazione il
metallo subisce una deformazione elastica: per i
metalli la max deformazione elastica è <dello 0,5%.
In generale i metalli mostrano una relazione lineare
tra lo sforzo e la deformazione nella regione a
comportamento elastico
σ(sforzo)=Eε(deformazione)
Legge di Hooke
E = modulo di elasticità o di Young (dipende dalle
forze di legame tra atomi)
-carico di snervamento:
rappresenta la sollecitazione
sopra la quale nel metallo si
manifestano significative
deformazioni plastiche. Dato che
non vi è un confine netto tra la
fine della deformazione elastica
e l’inizio di quella plastica, il
carico di snervamento si
definisce come la sollecitazione
in corrispondenza della quale si
ha una prefissata deformazione
plastica permanente residua pari
allo 0,2 %
per calcolare: si traccia una retta parallela al tratto elastico (lineare) in corrispondenza
di una variazione di 0,2%. Quando incontra la curva sforzo-deformazione,
si proietta sull’asse dello sforzo: il valore di sforzo trovato sarà quello del carico di
snervamento (540 MPa)
-carico di rottura: è il max valore di resistenza raggiunto
nel diagramma sforzo- deformazione. Superato questo
carico si ha restringimento del provino, fino al
sopraggiungere della rottura.
Più il metallo è duttile più è evidente la strizione sul
provino prima della rottura. è evidente per gli acciai inox.
il carico di rottura di un metallo è determinato tracciando
una riga orizzontale dal valore max della curva sforzodeformazione fino all’asse degli sforzi
può dare informazioni sulla
presenza di difetti, in quanto
questi possono abbassare il
carico di rottura rispetto
ai valori normali
-allungamento percentuale: quanto un provino si allunga
durante la prova di trazione fornisce un valore della duttilità
del metallo, espressa come allungamento percentuale
partendo da un tratto utile di 5,1 cm. L’allungamento
percentuale del provino vien valutato ricongiungendo le due
metà e misurando con un calibro
l l0
%allungamento
x100
l0
l’allungamento percentuale oltre a valutare la duttilità, è utile
anche per valutare la qualità del metallo, perché se è
danneggiato avrò un allungamento % <.
-strizione percentuale: si esprime in termini di riduzione % della
sezione. Viene ottenuta dopo la prova di trazione su un provino
di 12.7 mm. Anche questa è indice di duttilità e qualità
% strizione
sezionei sezione f
sezionei
x100
deformazione
plastica
limite di snervamento
limite ultimo
strizione
frattura
diagramma sforzo-deformazione di
alcune leghe e metalli
DUREZZA E PROVE DI DUREZZA:
la durezza è una misura della resistenza di un
metallo alla deformazione plastica permanente.
Si misura comprimendo un penetratore (acciaio
temprato, carburo di tungsteno o diamante) sulla
superficie. Una volta fatta l’impronta si misura la
profondità
la durezza di un metallo dipende dalla facilità
con cui esso si deforma plasticamente per cui in
industria si ricorre molto a questo parametro per
valutare caratteristiche di resistenza
tipi di penetratori e impronte associati alle quattro prove più comuni
di durezza
Deformazione plastica materiali monocristallini
se si osserva la deformazione plastica di una sbarra di monocristallo si
osserva che appaiono delle bande di scorrimento, causate dallo
scorrimento di piani cristallografici chiamati appunto piani di scorrimento. In
realtà i calcoli fatti su un modello metallico perfetto mostrano che la
resistenza teorica dovrebbe essere tra le 1000 e 10000 volte > di quella
realmente osservata. Nella realtà infatti sono presenti numerose
dislocazioni, le quali possono dare scorrimento in presenza di bassi sforzi
di taglio (vedi fig)
deformazione plastica metalli policristallini
generalmente i bordi di grano rinforzano i metalli agendo come barriere al movimento
delle dislocazioni (eccetto che alle alte T). Per cui quando si cerca alta resistenza si
pone attenzione sulle dimensioni fini del grano
i metalli a grani fini in condizioni normali sono più forti, più tenaci, più duri, presentano
comportamento più uniforme e isotropico ma meno resistenti alla corrosione e al
creep.
l’equazione Hall-Petch mette in relazione la resistenza di snervamento di un metallo
σy con il diametro medio di grano d:
k
y 0
d
con σ0 e k costanti relative al materiale
curve di trazione sforzodeformazione rame poli e
monocristallino
come si può bene vedere il
Cu policristallino è più
resistente a tutte le
sollecitazioni
le linee di scorrimento cambiano direzione in presenza dei bordi di grano,
perché ogni grano
avrà dei piani di scorrimento preferenziali diversi dal grano vicino
quando aumenta il numero di grani e il diametro di questi diventa più
piccolo, le dislocazioni si potranno muovere ad una distanza minore prima di
incontrare il bordo di grano, punto in cui cessa il loro movimento
ecco perché i materiali a grani fini hanno resistenza maggiore
come aumentare la resistenza di un metallo
- incrudimento: indurimento di un metallo o lega mediante
deformazione plastica a freddo; durante tale deformazione
le dislocazioni si moltiplicano e interagiscono tra loro,
portando ad un aumento della resistenza del metallo
- rafforzamento per soluzione solida: introduzione di uno o
più elementi a un metallo può aumentare la resistenza:
- la differenza di grandezza atomica incide sulla resistenza
in quanto le deformazioni introdotte nel reticolo creano
maggiore difficoltà al movimento delle dislocazioni e quindi
rafforzano il metallo
- le mix solide spesso danno luogo a fenomeni di
raggruppamento di atomi simili che si oppongono al
movimento delle dislocazioni in quanto creano ostacolo e di
fatto rafforzano il materiale
frattura nei metalli
un materiale può fallire per diverse situazioni che si possono
presentare; fra queste la frattura: separazione di due o più parti di
un solido sollecitato
FRATTURA DUTTILE:
avviene dopo un estesa deformazione
plastica ed è caratterizzata da basse velocità
di propagazione della rottura. Tre fasi:
• inizia la strizione e si creano dei micro vuoti
• i micro vuoti si uniscono e formano una
cricca nel centro
• quando la cricca si avvicina alla superficie si
ha rottura
sono meno frequenti di quelle fragili
e avvengono per sovraccarico del
componente
stadi formazione rottura
duttile coppa-cono
frattura nei metalli
FRATTURA FRAGILE:
avanza lungo caratteristici piani cristallografici detti piani di
clivaggio, si propaga rapidamente in modo inaspettato e
catastrofico. Tre fasi:
-la deformazione plastica concentra le dislocazioni in
corrispondenza a piani di scorrimento
- dove vengono bloccate le dislocazioni si instaurano sforzi di
taglio che nucleano delle microcricche
-le microcricche si propagano e si raggruppano
generalmente avvengono per difetti del metallo. La transizione
da comportamento duttile a comportamento fragile è detta
transizione duttile-fragile, quindi in opprtune condizioni i
materialei duttili possono comportarsi da materiali fragili
tenacità e prove di resilienza
tenacità: è una misura della quantità di E che un materiale è in
grado di assorbire prima di giungere a rottura. Serve per valutare
la capacità che ha un materiale a resistere ad una sollecitazione
d’urto senza rompersi. Per misurarla: prova di resilienza
nota la massa del pendolo
e l’altezza iniziale e finale
si calcola l’energia assorbita
dal provino per
rompersi
pendolo di Charpy
la fatica nei metalli
in molte situazioni parti metalliche danno rottura
per fatica, cioè si rompono ad un livello di sforzo
molto minore rispetto a quello al quale la parte
potrebbe fallire sotto l’applicazione di un solo
sforzo statico. Si innesca in un punto di
concentrazione degli sforzi oppure in presenza di
difetti metallurgici. Una volta innescata la cricca si
propaga, si creano superfici di rottura fino al
completo distacco.
prova a flessione rotante
diagramma σ-N:
si riporta lo sforzo applicato
al provino in funzione del
numero di cicli dopo i quali avviene
la rottura
principali fattori che influenzano la
resistenza a fatica di un metallo
-
composizione chimica del metallo
concentrazione degli sforzi
rugosità superficiale
condizione superficiale
ambiente corrosivo
CREEP CREEP-ROTTURA nei metalli
un metallo sottoposto a sollecitazione costante a elevata T (>
della metà della sua T di fusione), può andare incontro ad una
deformazione plastica che dipende dal tempo: scorrimento
viscoso a caldo (creep). Il creep dei materiali è uno dei fattori
limitanti per l’uso in determinate condizioni di T.
se si considera un metallo policristallino sottoposto a T alte a
sollecitazione continua si possono ottenere le curve di creep
1:allungamento istantaneo del
provino:poi la velocità decresce
nel t (creep primario)
2: creep stazionario: la velocità
di deformazione è costante
3: creep terziario: la velocità di
creep aumenta rapidamente e
porta alla rottura
sollecitazioni > e T> aumentano la velox di creep
velocità di
creep
prova di creep
- sollecitazioni diverse a T costante
- T diverse a sollecitazione costante
quello che si ottiene è una curva
deformazione/tempo in cui si misura la velocità
minima di creep, ovvero la pendenza del
secondo stadio della curva di creep Δε/Δt
prova di creep-rottura: è uguale alla prova di
creep ma le sollecitazioni sono più alte e la
prova è protratta fino alla rottura del provino
i dati di creep-rottura possono essere
diagrammati riportando lo sforzo di creeprottura e il parametro Larsen-Miller
P(Laresen-Miller)= T [logtr +C]
tr = tempo di creep-rottura (h)
C= costante
questi diagrammi consentono una volta note
due variabili tra T, sforzo di creep-rottura e
tempo di creep-rottura di calcolarne la terza
