MATERIALI METALLICI
Materiali metallici
Tratto da wikipedia : Il metallo è un materiale che riflette la luce conferendole una particolare tonalità (detta
appunto lucentezza metallica), un ottimo conduttore di calore e di elettricità,che può essere attaccato dagli acidi
(con sviluppo di idrogeno) e dalle basi, spesso con buone caratteristiche di resistenza meccanica. L'acqua può
attaccare i metalli (soprattutto del primo e secondo gruppo), ai quali strappa gli elettroni di valenza per dare
appunto l'idrogeno attraverso una reazione particolarmente esotermica.
In base alle proprietà chimiche i metalli danno luogo ad ossidi basici (es: Na2O, CaO). Sono elementi chimici (si
tratta di una delle tre categorie in cui gli elementi chimici sono suddivisi, insieme ai semimetalli e ai nonmetalli)
oppure leghe. Esistono vari tipi di metalli; questi furono scoperti in epoche distanti nel tempo, perché ben pochi
metalli sono reperibili in natura allo stato nativo; inoltre ogni metallo ha una sua temperatura di fusione: più
bassa è tale temperatura, più è facile l’estrazione del metallo dalle rocce che lo contengono. In particolare i
primi metalli lavorati (il rame e lo stagno) hanno una temperatura di fusione relativamente bassa, ottenibile con
gli antichi forni di circa 10.000 anni fa (epoca in cui, presumibilmente, iniziò la lavorazione del rame).
Materiali metallici
APPUNTI DI MATERIALI METALLICI
A cura di Marco Bresciani
Struttura dei Metalli
Le caratteristiche dei metalli sono dovute:
o
o
Legame metallico (da cui deriva la resistenza)
Struttura cristallina o reticolo cristallino (da cui deriva la plasticità)
Legame metallico
A differenza degli altri due tipi di legami atomici (covalente e ionico), il legame metallico, allo stato solido,
presenta una disposizione ordinata e compatta dei vari atomi, secondo uno schema ripetitivo chiamato struttura
cristallina. Schematicamente il legame metallico si stabilisce fra atomi identici che, essendo elettropositivi , si
caricano positivamente e rinunciano agli elettroni delle orbita più esterne: gli ioni positivi (nuclei) assumono
posizioni ordinate e gli elettroni li ricoprono in una nube in cui possono muoversi liberamente. Minore è il
numero di elettroni nell’orbitale esterno di un atomo, maggiore è il suo carattere metallico; all’aumentare del
numero di elettroni aumenta anche l’energia di legame ed il punto di fusione .
Struttura cristallina
Gli ioni positivi si trovano in posizioni ordinate, dette reticolo cristallino, in cui la cella elementare è la più piccola
porzione di reticolo che si ripete costantemente in tutto il reticolo.
Esistono tre tipi di celle elementari:
o
CCC: cubica a corpo centrato, è costituita da nove atomi ed è deformabile a caldo; è la cella del
o
.
CFC: cubica a facce centrate, è costituita da 14 atomi e si presta meglio ad essere deformata a
o
freddo; è la cella del
.
EC: esagonale compatta, 16 atomi, è poco deformabile quindi richiede più energia per fabbricare
oggetti in materiale con questa struttura.
Quello che più ci riguarda è ovviamente il ferro e la variazione del suo reticolo in funzione della temperatura,
fenomeno chiamato allotropia .
Puntualizziamo che la miglior configurazione per avere metalli duttili e malleabili è la CFC, dato l’elevato grado
di simmetria che presenta, quindi si presta meglio alle lavorazioni.
Difetti cristallini
Tutto ciò che crea un disallineamento nella struttura cristallina ordinata. Si suddividono in:
o
o
o
Puntuali: Vacanze o Lacune (mancanza di un atomo), Sostituzione (un atomo più grande o più
piccolo al posto di quello del metallo), Interstiziale (atomo all’interno del reticolo, tra gli atomi del
reticolo stesso). La presenza di questi difetti ostacola la conducibilità termica ed elettrica ma favorisce
la possibilità di formare leghe (infatti gli atomi vacanti possono essere sostituiti da atomi di altra
specie).
Lineari: Dislocazioni a Spigolo (inserzione di un piano supplementare di atomi), Dislocazione a
Vite o Elicoidale (superficie elicoidale), Mista: Questi difetti provocano il rafforzamento del materiale
a discapito della plasticità.
Superficiali: Bordi dei Grani, trattati più avanti nella solidificazione dei metalli.
Lacune
Sono difetti di equilibrio e crescono esponenzialmente con la temperatura. La concentrazione di tali lacune si
ricava con la formula:
concentrazione lacune
energia di attivazione
costante universale dei gas
temperatura assoluta in gradi Kelvin
Questi difetti rendono possibili i processi diffusivi, quali conducibilità termica e diffusione atomica (spostamento
degli atomi per riempire le lacune). Le saldature, le leghe, etc. derivano da processi diffusivi.
Dislocazioni
Non sono processi di equilibrio.
La densità delle dislocazioni varia da:
materiale ricotto
materiale incrudito
Le dislocazioni si muovono solamente con gli sforzi di taglio, non con compressione o trazione. Con lo
scorrimento a seguito di sforzi di taglio le dislocazioni spariscono dando luogo ad una deformazione del
materiale: questa è elevata data l’elevata densità delle dislocazioni . Le deformazioni così prodotte sono
permanenti (non plastiche).
La dislocazione determina quindi la resistenza del metallo: se si muove il metallo è plastico (deformabile), finché
non si muove il metallo è resistente.
Nella progettazione è sempre meglio assicurarsi un minimo di plasticità in quanto può tornare utile dato che il
“pezzo” prodotto (qualunque esso sia, ma ancor più gli elementi strutturali) deformandosi avvisa della possibile
rottura; se invece arrivasse a rottura senza deformarsi la cosa potrebbe diventare catastrofica.
Solidificazione dei metalli
Il processo di solidificazione si attua in due fasi, non distinte, e la predominanza di una o dell’altra fase
determinano il tipo di grana che possiederà il metallo finale:
o
o
Nucleazione: alla T di solidificazione le celle elementari si aggregano formando vari nuclei di cristalli
all’interno del liquido.
Accrescimento: i cristalli formatisi aumentano di dimensione aggregando altre celle.
Tutti i metalli solidificano nello stato policristallino e l’orientamento di tali cristalli risulta essere senza nessuna
direzione preferenziale.
Gli ultimi atomi del liquido, trovandosi tra cristalli ad orientazione diversa, solidificano disallineati rispetto ai
cristalli che li circondano, formando zone chiamate giunti dei grani o bordo dei grani. Queste zone sono più
reattive essendo in uno stato pensionale (quindi a maggiore energia) e vengono evidenziate (dopo lucidatura a
specchio della superficie del metallo) tramite trattamento con appositi acidi (a seconda del metallo trattato):
divengono così visibili, tramite microscopio, ed in base alla dimensione dei grani si possono determinare alcune
caratteristiche che avrà il nostro metallo.
I bordi dei grani sono le zone a maggiore resistenza meccanica.
Dimensione dei grani
Definita dall’ASTM (American Standard for Testing Material):
N è il numero di grani per pollice quadrato
n è la dimensione del grano
Come già detto le dimensioni dei grani hanno un effetto significativo sulle proprietà dei metalli, specialmente
sulla resistenza meccanica: a basse temperature (minori della metà della T assoluta di fusione) i bordi dei grani
rinforzano i metalli, limitando la possibilità di scorrimento delle dislocazioni, quindi una grana fine è auspicabile;
a T elevate può avvenire lo scorrimento dei bordi dei grani che diventano pertanto regioni di debolezza nei
metalli policristallini.
Le misurazioni dell’ASTM sono valutate a 100 ingrandimenti ed è stata redatta una tabella con immagini-tipo
della grossezza della grana cristallina, 8 tipi differenti dalla più grossa I alla più fine VIII: per applicazioni a
basse temperature le I-IV non vengono prese in considerazione.
Una grana più fine può essere lucidata meglio e questo è utile per ricoprire con altri metalli. Inoltre, come già
detto, la resilienza è maggiore con grana fine; la fragilità a freddo è dovuta alla grana grossa.
Leghe Metalliche
Sono metalli di specie diverse che coesistono all’interno dello stesso reticolo; questa possibilità è regolata dalle
forze interatomiche tra gli atomi della stessa specie e di specie diverse.
o
Caso
: la forza di legame di atomi uguali è uguale a quella tra atomi diversi; in questo
caso si parla di soluzione solida (di sostituzione o di interstizione) in quanto gli atomi sono
completamente solubili in qualsiasi rapporto o concentrazione si trovino. Dato che le forze di legame
dipendono dalle dimensioni degli atomi, possiamo avere la soluzione solida quando le due specie
interessate hanno dimensioni che differiscono meno del 15%. Un esempio è il rame-nichel
o
.
Caso
: il legame tra atomi della stessa specie è più forte, quindi si formano cristalli
separati di A e di B (due fasi solide distinte); in questo caso si parla di lega eutectica che avviene alla
temperatura eutectica ed alla concentrazione eutectica. Le dimensioni degli atomi differiscono più del
15%. Un esempio è il rame-argento
analizzeremo il diagramma ferro – carbonio.
. Ne parleremo approfonditamente più avanti quando
Diffusione degli atomi
Consiste nel trasporto di materia, nel movimento di atomi (è diverso dalla diffusione termica): è una migrazione
spontanea di atomi da una zone a maggiore concentrazione ad una a minore concentrazione. Necessita
di due cose per esserci:
o
o
Forza motrice: è la differenza di concentrazione. Si misura come energia libera: gli atomi tendono a
raggiungere una situazione di minore energia, possibile dove la concentrazione è minore. È misurata in
energia su unità di massa, Energia/mole.
Cinetica del processo: è l’aspetto temporale, il tempo impiegato. Si può misurare in numero di
atomi su tempo, n°atomi/tempo, oppure solamente in tempo (tempo di trasferimento).
La diffusione di atomi è particolarmente importante nei metalli e nelle leghe poiché la maggior parte delle
reazioni allo stato solido coinvolgono movimenti atomici (come ad esempio la tempra).
Le variabili che regolano la diffusione sono:
o
Meccanismo di diffusione: può essere sostituzionale, per muoversi gli atomi necessitano di
superare l’energia di attivazione e le vacanze o lacune sono difetti di equilibrio dove è necessaria
minore energia per muoversi (esempio sono gli atomi di rame in un reticolo di alluminio, dato che gli
atomi hanno all’incirca la stessa dimensione), oppure può essere interstiziale, gli atomi si diffondo
interstizialmente senza muovere gli atomi del reticolo ma è necessario che le dimensioni degli atomi
che diffondono sia relativamente piccola rispetto agli atomi della matrice (esempio sono gli atomi di
carbonio nei reticoli CCC e CFC del ferro).
o
o
o
o
Temperatura: all’aumento della temperatura aumenta anche la diffusività, dato che aumenta
l’energia degli atomi ed anche aumentano i difetti. Un aumento di circa 10°C della temperatura fa
dimezzare il tempo .
Struttura cristallina: la struttura CCC è meno compatta della CFC quindi gli atomi si muovono più
facilmente.
Difetti cristallini: la diffusione avviene più rapidamente lungo i bordi di grano che non nella matrice
e la presenza di molte vacanze aumenta la velocità di diffusione.
Concentrazione delle specie diffuse: alte concentrazioni di atomi di soluto influenzano la
diffusività.
Ci sono due leggi che regolano i processi diffusivi.
II° Legge di Fick
= concentrazione dell’elemento in diffusione.
t = tempo.
D = diffusività dell’elemento in diffusione, è una funzione della temperatura e della concentrazione, si misura in
.
x = distanza dalla superficie.
La soluzione di questa equazione è piuttosto complicata, tranne nei casi in cui D si può assumere come
costante.
Equazione di tipo Arrhenius
= costante di proporzionalità espressa in
R = costante molare dei gas =
rappresenta in posti occupabili.
=
.
T = temperatura assoluta espressa in K.
= energia di attivazione per la specie che diffonde in
o
Questa equazione si può risolvere tramite il parametro “u”di Gauss:
x = direzione di trasferimento degli atomi.
t = tempo.
u = parametro di Gauss.
= “è proporzionale a”.
Da quest’ultima relazione si vede come lo spessore diffusivo x aumenti secondo l’andamento del grafico della
radice rispetto al tempo, mentre dall’equazione di tipo Arrhenius e dalla II° legge di Fick si vede come lo
spessore aumenti rispetto alla temperatura in maniera esponenziale: quindi, come già detto prima, una piccola
variazione di temperatura nell’ordine dei 10°C porta ad un dimezzamento del tempo di diffusione.
Nelle legende x è stato indicato sia come distanza dalla superficie sia come direzione di trasferimento. Sono la
medesima cosa in quanto le leggi trattano della diffusione di un gas in un solido (un processo di questo tipo è
ad esempio la nitrurazione).
Proprietà dei metalli
Si suddividono in proprietà fisiche, chimiche, meccaniche e tecnologiche.
Proprietà fisiche
Dipendono dalla disposizione degli atomi e dai legami. In questa categoria rientrano la densità, l’elasticità, le
proprietà termiche, le proprietà elettriche e le proprietà magnetiche.
Addensamento
Definito dalla densità
espressa in
. La densità è importante anche in sede progettuale ed esecutiva
di un’opera in quanto, ad esempio, se i tralicci dell’alta tensione non fossero una lega superleggera, lega di
alluminio 6061 con magnesio e silicio, si romperebbero a causa del loro stesso peso.
Elasticità
Il modulo di elasticità o modulo di Young è
espresso in
. Verrà trattato
approfonditamente più avanti in quanto è importante nelle deformazioni dei materiali.
Proprietà termiche
Sono il calore specifico
dilatazione
, la conducibilità
, la tensione termica
, il coefficiente di
(questa è importante ad esempio
perché spiega la rottura di un bicchiere di vetro in cui si versa il latte caldo: abbiamo una differenza di
temperatura elevata che genera una tensione elevata e che porta alla rottura).
Proprietà elettriche
I metalli sono buoni conduttori in virtù del loro legame atomico: i migliori sono argento, rame e alluminio. La
conducibilità elettrica è migliore quanto più regolare è il cristallo, quindi l’assenza di impurezze la rende
migliore.
Ne consegue che le leghe del tipo a soluzione solida conducono male la corrente e vengono usate per
resistenze (nickel/cromo o rame/nickel), mentre le leghe eutectiche hanno una migliore conducibilità.
Si può usare come termine per catalogare la conducibilità la resisitività
.
Proprietà magnetiche
(…omissis…)
Proprietà chimiche
Nelle proprietà chimiche la cosa più importante è l’interazione dei metalli con l’ambiente esterno nella
cosiddetta corrosione. Esistono due tipi di corrosione: elettrochimica o ad umido e a secco.
Corrosione ad umido
Servono necessarie affinché avvenga quattro componenti:
o
o
o
o
Conduttore: un elemento che colleghi i due corpi (anodo e catodo) e che permetta il passaggio di
elettroni; i due elementi possono essere anche a contatto quindi fungono da conduttori le superfici di
contatto. È detto conduttore di I° specie in quanto permette il movimento di elettroni.
Elettrolita: è un liquido in grado di condurre la corrente ed è detto conduttore di II° specie in
quanto permette il passaggio di ioni. Può essere l’acqua, l’acido (il cloridrico contiene ossigeno quindi
corrode il ferro), ma anche l’ossigeno come gas libero (un metallo in presenza di un elettrolita con
differenti concentrazioni di ossigeno corrode). L’elettrolita deve essere a contatto con ambedue i poli
(anodo e catodo).
Anodo: un metallo che si comporta da polo positivo e si corrode.
Catodo: un altro corpo, anche non metallo, che si comporta da polo negativo e non si corrode.
Quello che avviene praticamente in questo tipo di corrosione è una reazione di ossidoriduzione: il metallo
che funge da anodo si ossida, perde cioè elettroni (che viaggiano lungo il conduttore) e rilascia ioni positivi
nell’elettrolita, mentre un metallo o un non metallo che funge da catodo si riduce, acquista cioè gli elettroni
che gli arrivano tramite il conduttore.
La tendenza di un metallo a comportarsi da anodo o catodo e quindi a corrodersi in un particolare ambiente
viene determinato tramite il potenziale di elettrodo cioè la differenza di potenziale che un elettrodo di quel
metallo assume rispetto ad un altro elettrodo di riferimento ad idrogeno.
Gli elementi più catodici hanno potenziale positivo mentre quelli più anodici hanno potenziale negativo: questi
sono valutati rispetto all’idrogeno che ha potenziale zero. Quello che più ci interessa è che in due metalli a
contatto si comporterà da anodo quello con potenziale più negativo mentre l’altro da anodo; questo perciò vale
anche tra due metalli con potenziale di ambedue negativo o ambedue positivo.
Corrosione galvanica
Avviene quando due metalli o un metallo ed un non metallo sono a contatto fra loro: la superficie di contatto
funge quindi da conduttore ed il metallo con potenziale più negativo si corrode. È molto pericolosa bisogna
quindi porre attenzione in sede progettuale quando si decide di mettere due metalli a contatto (o metallo e non
metallo).
Corrosione in fessura
È un attacco localizzato che insorge quando un elettrolita può penetrare nelle giunzioni o interstizi (filettature,
rivetti, giunti sovrapposti, ma anche depositi di sporcizia).
Corrosione intercristallina
Si manifesta ai bordi dei grani per formazione di micropile tra particelle di fase precipitate (catodo) e la matrice
circostante (anodo): la corrosione si muove lungo i bordi dei grani separandoli e disgregandoli, si perde quindi
resistenza meccanica e plasticità del materiale.
Corrosione per violatura (pitting)
Il pit è un punto di corrosione ed ha inizio con la rottura localizzata del film protettivo sul metallo e la
conseguente formazione di una micropila. Avviene in presenza di elettroliti con ioni cloro (l’acqua di mare ne è
ricca ad esempio).
Può essere evitato:
o
o
o
o
o
prevenendo condizioni stagnanti dell’elettrolita o inserendo un inibitore;
usando un materiale resistente al pitting (inox AISI 316 o 317);
usando rivestimenti protettivi;
aumentando lo spessore del metallo (il tempo di penetrazione varia con il cubo dello spessore);
passivando il metallo.
Corrosione a secco
È l’ossidazione superficiale dovuta alla notevole affinità dei metalli per l’ossigeno, affinità che decresce
all’aumentare della temperatura., mentre la velocità di corrosione aumenta all’aumentare della temperatura.
Questa corrosione avviene senza la presenza di un elettrolita.
È insidiosa per i metalli che subiscono trattamenti termici (TT) e che quindi sono esposti per tempo prolungato
ad alte temperature.
Importante, per quanto riguarda la corrosione, è quantificarla, per poterla prevedere nel tempo. La corrosione
viene quantificata in spessore perso nell’unità di tempo o di superficie. Altre grandezze si collegano
direttamente all’analisi della possibile corrosione:
o
o
Coefficiente di dilatazione termica: è una grandezza fisica ed è la variazione di lunghezza rispetto
a quella iniziale; è importante per evitare che si creino tensioni all’interno del materiale. Un esempio è
il calcestruzzo: se lo strato di cemento attorno ai ferri non è sufficiente i ferri si ossidano e la zona di
ossidazione ha un volume specifico maggiore rispetto al ferro; si ha così il distacco del cemento dal
ferro a causa della tensione interna. Così si possono anche creare tensioni a causa di accoppiamenti
fra materiali con diversi coefficienti di dilatazione termica.
Conduttività termica: misura l’attitudine a trasferire una forma di energia (fononi). È importante
tenerla in considerazione in fase progettuale per evitare accumuli di energia: un motore termico può
raggiungere facilmente i 2000°C e se il calore non venisse smaltito in maniera appropriata i materiali
metallici che compongono il motore fonderebbero.
Proprietà meccaniche
Riguardano gli sforzi semplici: trazione, compressione (normali alla sezione) e taglio (tangenziale alla sezione) e
lo studio delle deformazioni, in campo elastico ed in campo plastico, che questi provocano.
Tensione
Sono forze rapportate alla sezione:
trazione (o compressione)
taglio
Deformazione
È la deformazione che un metallo subisce se sottoposto ad uno sforzo o tensione. Viene rapportata alla
lunghezza iniziale:
= variazione della lunghezza
= lunghezza iniziale
= deformazione
= spostamento
= altezza
= angolo
Tali valori possono anche essere espressi in percentuale.
Le più importanti proprietà meccaniche, per i nostri utilizzi, dei materiali metallici e le leghe possono essere
desunte dalla prova di trazione; queste proprietà sono:
o
o
o
o
o
Modulo di elasticità;
Carico di snervamento a una deformazione dello 0,2%;
Carico di rottura;
Allungamento percentuale a rottura;
Strizzone percentuale a rottura;
Analizzeremo in seguito le prove di trazione e le varie proprietà ricavate da queste prove.
Proprietà meccaniche e prove di trazione
Quello che più ci interessa è il comportamento dei metalli sottoposti a sforzi, misurati in reazione tensionale,
plasticità, tenacità . In base al tempo e alla velocità di applicazione possiamo suddividere gli sforzi in:
o
o
o
o
Statici: il carico viene applicato lentamente; vengono effettuate in questa modalità la prova di
trazione e la prova di durezza: Brinell, Rockwell, Vickers.
Dinamiche: il carico viene applicato in maniera impulsiva; viene effettuata la prova di resistenza
all’urto, la prova di resilienza.
Cicliche: lo sforzo viene applicato ciclicamente; si effettuano le prove di fatica.
Scorrimento viscoso: valutiamo il comportamento sotto l’effetto contemporaneo della temperatura;
le prove a minore temperatura sono effettuate a circa -196°C, alla temperatura in cui liquefa l’aria. A
bassa temperatura aumenta la resistenza ma diminuisce l’elasticità.
Regime elastico
Analizziamo il comportamento elastico dei materiali metallici. La deformazione è definita elastica quando, una
volta rimosso lo sforzo, si annulla.
Lo sforzo che subisce un materiale provoca lo spostamento degli atomi dalla loro posizione; se tale spostamento
non supera 1 raggio atomico l’atomo ritorna al suo posto.
Il regime elastico dei materiali sottoposti a sforzi di trazione e taglio è descritto dalla legge di Hooke:
= trazione (o compressione)
= modulo di elasticità longitudinale
= taglio
= modulo di elasticità tangenziale
= deformazione
Dagli studi effettuati si è visto che per i materiali metallici la sollecitazione più critica è quella di trazione, quindi
un elemento dimensionato per resistere a trazione certamente resisterà anche a taglio. Tratteremo quindi ora
più approfonditamente il comportamento dei metalli sottoposti a trazione e le prove relative.
Modulo elastico E o Modulo di Young
Viene descritto nel grafico sforzo (ordinata) – deformazione (ascissa) da una linea retta quando il
comportamento risulta elastico. Chiamato beta l’angolo ascissa – retta la tangente di quest’angolo è il modulo
elastico:
= angolo ascissa – retta
Tramite questa dimostrazione si vede come il modulo elastico E sia la tensione da applicare per raddoppiare la
lunghezza iniziale (solo virtualmente, non è realizzabile).
Il modulo elastico serve anche per misurare la rigidezza di un metallo: all’aumentare di E diminuisce la flessione
(o freccia).
= forza che carica la trave
= lunghezza trave
= momento di inerzia (dipende dalla geometria del corpo)
Il modulo elastico è influenzato dalla temperatura di esercizio. Ricordiamo che il modulo elastico dipende
unicamente dal tipo di materiale e non dai trattamenti termici subiti.
Lo studio del comportamento di un materiale sottoposto a trazione avviene tramite delle provette sottoposte a
particolari prove; ci soffermiamo sul fatto che le dimensioni e la forma delle provette sono regolate dalla
Norma. Tramite queste vengono tracciate delle curve di trazione dalle quali si possono determinare il
comportamento dei metalli e gli sforzi massimi a cui possono essere sottoposti.
Curve di Trazione (Prove di Trazione)
Di seguito riportiamo il grafico tipico della curva di trazione:
Analizzando questo grafico possiamo notare che:
o
o
I°:la prima parte del grafico ha andamento rettilineo; queste è la zone in cui il materiale si trova in
regime elastico in quanto, togliendo il carico, non vi è deformazione permanente. È importante, nella
progettazione e realizzazione di componenti, mantenersi entro i limiti di elasticità dei materiali.
II°: la seconda parte del grafico inizia quando termina l’andamento elastico del materiale, nel
cosiddetto punto di snervamento a cui corrisponde, nell’asse delle orinate, il carico di
snervamento
, il valore dello sforzo per cui le successive deformazioni non possono più essere
rimosse; siamo quindi entrati nel campo plastico del materiale. Dato che nel diagramma sforzo –
deformazione il punto in cui finisce la deformazione elastica ed inizia quella plastica non è ben definito,
il carico di snervamento si definisce come la sollecitazione in corrispondenze della quale si ha
una prefissata deformazione plastica permanente residua ed in genere è pari allo 0,2%. Il
metodo per determinare tale punto consiste nel tracciare una parallela al tratto I° spostata verso
destra lungo l’asse delle ascisse rispetto al punto 0 dello 0,2% del tratto utile. Questa parte del grafico
o
prosegue in salita fino a raggiungere il carico di rottura
, cioè fino al massimo valore di
resistenza raggiunto nel diagramma. Il carico di rottura viene determinato graficamente tracciando una
linea orizzontale sul punto di massimo della curva del diagramma. Puntualizziamo che il carico di
rottura non è molto usato per le leghe duttili in quanto prima che sopraggiunga si verifica su di esse
troppa deformazione plastica.
III°: Superato il carico di rottura si manifesta sul provino un restringimento localizzato della
sezione detto strizione , lo sforzo nominale diminuisce all’aumentare della deformazione fino a
raggiungere la rottura del provino.
Tramite questo diagramma si può definire la
cioè la tensione ammissibile del materiale; questa deve
essere minore del carico di snervamento in quanto non vogliamo deformazioni permanenti nei pezzi da noi
progettati. A tale proposito si usa un coefficiente di sicurezza n rapportato al carico di snervamento:
= coefficiente di sicurezza
Il parametro n dipende dalle condizioni di utilizzo, dal materiale (dove è stato prodotto per assicurarsi
l’affidabilità), dai difetti (saldature, intagli, filettature). È definito anche coefficiente di ignoranza in quanto in
esso rientra tutto ciò che noi ignoriamo sul materiale.
I valori di tensione e deformazione riportati nel grafico sono sempre riferiti alla sezione iniziale, quindi non a
quella istantanea che varia in seguito alla trazione.
Vera curva di trazione
Viene tracciata per punti tramite il diagramma ideale prima visto. È importante per lo stampaggio di lamiere,
come ad esempio nell’industria automobilistica.
La vera curva, fino alla tensione di snervamento, si sovrappone a quella di prova, dopodichè giace sopra e a
sinistra di quella nominale.
Relazione di Ludwick
coefficiente di resistenza (è una tensione)
coefficiente di incrudimento
Notiamo che
quando
e varia con la natura della lega;
indica quanto rapidamente la curva si
innalza, la velocità di incrudimento.
Per lo stampaggio vorremo
mentre il valore minimo è
alto ma il valore massimo ottenuto è
(acciaio
scaldato e rinvenuto).
Il valore di n viene ricavato dalla vera curva di trazione:
(rame ricotto e acciai austenitici)
Tensione reale
Viene riferita alla sezione istantanea ed è definita:
Quindi le tensioni reali sono sempre maggiori di quelle appurate sperimentalmente e ciò ci porta a
sovradimensionare la sezione resistente, progettata basandosi sui dati sperimentali, a tutto vantaggio della
sicurezza.
Deformazione reale
La stessa cosa vale per la deformazione, ma relativamente alla variazione della lunghezza del provino:
La deformazione reale è sempre più piccola di quella ottenuta sperimentalmente, a tutto vantaggio della
sicurezza.
Duttilità alla trazione
La duttilità dei metalli è comunemente espressa come allungamento percentuale (maggiormente importante per
noi) e come strizione percentuale:
= Allungamento percentuale dopo rottura
= Strizione percentuale dopo rottura
Sono prove rilevate dalla prova di trazione e servono per verificare le prove effettuate; mentre le tensioni
(massima e di snervamento) dipendono unicamente dal materiale che compone la provetta, l’allungamento e la
strizione dipendono dalla provetta, quindi la norma regola il rapporto lunghezza/diametro:
Nel caso di provette non circolari ma rettangolari si usano i seguenti rapporti:
Torniamo così al rapporto n=5. Negli USA vengono usati n=4, quindi necessitiamo di usare una tabella di
conversione per confrontare i risultati.
Elettropositivi: elementi che hanno natura metallica che liberano elettroni nelle reazioni producendo ioni positivi
o cationi; il numero di elettroni liberati è indicato mediante il numero di ossidazione positivo. Gli elementi
elettronegativi si comportano in maniera contraria, hanno natura non metallica, accettano elettroni e si
trasformano in ioni negativi o anioni. Il comportamento metallico o meno viene definito attraverso la tavola
periodica degli elementi: i metalli hanno una bassa energia di ionizzazione, serve poca energia per renderli ioni,
quindi nei legami mettono in comunione gli elettroni e questo determina la loro buona conducibilità termica ed
elettrica.
Punto di fusione: temperatura a cui corrisponde il passaggio dallo stato solido a quello liquido.
Allotropia: variazione del reticolo cristallino in funzione della temperatura; ne sono soggetti sia il ferro Fe che il
titanio Ti.
Difetti di equilibrio: fanno diminuire l’energia del sistema.
Energia di attivazione: minima energia necessaria per staccare un atomo (l’atomo sublima e va nell’ambiente).
Resilienza: energia per rompere un provino, resistenza all’urto.
Temperatura…tempo: le termocoppie che regolano la temperatura nei forni si starano, per sublimazione dei
metalli che compongono la termocoppia stessa, quindi indicano la temperatura errata e questo avviene
frequentemente. Nei trattamenti termici (TT) è quindi necessario ricordarsi di tarare con opportuni strumenti e
regolarmente le termocoppie dei forni onde evitare disastri visto il legame temperatura-tempo.
Passivazione: trattamento che permette la formazione di uno strato di ossido protettivo sul metallo; i metalli di
transizione (Fe, Ti, Ni, etc. ed anche l’alluminio) in presenza di ossigeno si ricoprono di ossido e diventano
inossidabili dato che la pellicola di ossido stessa formatasi blocca il seguire dell’ossidazione; lo strato di ossido è
continuo, dato che ricopre tutto, coerente, non si sbriciola, elettropositivo, funge da catodo,
autorigenerante, si rigenera se rimosso. L’alluminio anche se è un metallo molto elettropositivo si passiva lo
stesso e forma uno strato di ossido superficiale molto più duro del diamante quindi anti scalfittura: l’alluminio
anodizzato è una lega di alluminio ossidata con passaggio di corrente (solo la continua). Nemico della
passivazione è lo ione cloruro che la distrugge. Solo il titanio resiste ai cloruri.
Tenacità: lavoro assorbito dal pezzo per rompersi.
Rigidezza: data una trave appoggiata alle estremità, la rigidezza è la freccia massima, cioè l’abbassamento
centrale, della trave sottoposta ad un carico.
Diagramma sforzo-deformazione: nel tracciare il diagramma bisogna amplificare i risultati al fine di ottenere dei
valori più precisi; tale amplificazione non è regolata dalla norma. Per ovviare ai differenti risultati dovuti a
differenti amplificazioni è stato introdotto il carico di snervamento allo 0,2%.
Strizione: restringimento localizzato della sezione iniziale; più il metallo è duttile più sarà evidente la strizione.
Sforzo nominale: resistenza del materiale che diminuisce dopo la strizzone del provino; lo sforzo reale invece è
quello applicato dalla macchina ed esso è sempre crescente.
Duttilità: deformabilità di un metallo; più è elevata la duttilità più è elevato l’allungamento di un metallo.
Allungamento percentuale
L’allungamento percentuale ci indica sia la duttilità di un metallo sia la qualità del metallo: se il metallo presenta difetti
(porosità o inclusioni) o è stato danneggiato da un surriscaldamento, l’allungamento percentuale sul provino può
diminuire rispetto al normale. Consta di due fattori:
L’allungamento uniforme
dipende unicamente dal materiale ed è proporzionale alla lunghezza iniziale
mentre l’allungamento per strizione
dipende dal diametro iniziale
.
Riferendosi al diagramma di trazione, fino al carico di snervamento l’allungamento è piccolo, dallo snervamento al carico
di rottura l’allungamento è uniformemente distribuito, dal carico di rottura in poi l’allungamento interessa solo la sezione
centrale: la densità di allungamento non è costante ma aumenta nella zona di rottura.
valore costante (allungamento uniforme) con K che dipende del materiale
contributo di strizione che aumenta al diminuire di n
Ne consegue che più lunga è una provetta minore è il suo allungamento e più si avvicina l’allungamento totale
all’allungamento uniforme (con
).
Riportiamo un esempio pratico: nei cosiddetti ferri da costruzione, per cemento armato, essendo la lunghezza molto più
grande rispetto al diametro, l’allungamento uniforme è la sola cosa richiesta dalla norma, perché l’allungamento per
strizione è minimo. Anche nell’ingegneria che più ci riguarda da vicino l’allungamento uniforme è il parametro per
noi più importante.
Analizziamo tre metodi per determinare l’allungamento uniforme.
I° metodo: Metodo dell’Intercetta
Traccio un diagramma con in ordinata
e in ascissa
dato che l’allungamento è una funzione dell’inversa di n:
Faccio le prove con vari n (minimo 4) e traccio il diagramma: traccio una retta (penso valore medio dei valori trovati) e
l’intercetta sull’asse delle ordinate di tale retta è l’allungamento uniforme.
II° metodo: Metodo della Differenza
Consiste nel calcolare l’allungamento uniforme come differenza dei valori di due allungamenti con n diversi:
Se prendo una provetta doppia dell’altra con diametro uguale, diventa n = 2n’:
È un metodo rapido ed abbastanza preciso, una scelta adeguata in ambito industriale.
III° metodo
Consiste nell’indicare una estremità del tratto utile iniziale
e verificarne l’allungamento a fine prova. Questo è
possibile perché verso l’estremità della provetta l’allungamento è solo uniforme. Questo metodo viene ad esempio usato
per le provette dei ferri del cemento armato.
Tenacità
La tenacità è una misura della quantità di energia che un materiale è in grado di assorbire prima di giungere a rottura.
È il lavoro di deformazione necessario per rompere l’unità di volume: si può parlare di tenacità statica, in cui il carico è
aumentato lentamente, o dinamica, in cui il carico è impulsivo. Noi tratteremo unicamente di quella statica.
La tenacità statica si determina con la curva di trazione (grafico tensione – deformazione) prima descritta e precisamente
è l’area sotto la curva.
Dato che la curva di trazione non è rappresentabile con un’unica funzione, si è trovato un espediente: esiste un’ordinata
(F’) tale che l’area del rettangolo sottesa da tale ordinata è uguale a quella della curva.
allungamento percentuale
tensione massima o di rottura
tenacità
Durezza
Per determinare la durezza di un metallo si sfrutta il principio della durezza metallurgica, sull’attitudine cioè del materiale
a lasciarsi penetrare da un corpo più duro chiamato penetratore.
È una deformazione plastica in quanto sposta gli atomi dei materiali; permette di ottenere le tensioni di rottura molto
velocemente ed a costi minori rispetto alla prova di trazione, l’importante è che lo strumento sia correttamente tarato.
Esistono varie prove per determinare la durezza di un materiale, principalmente suddivise in prove di macrodurezza e
microdurezza. I termini macro e micro non sono riferiti ai valori di durezza determinati ma sono relativi alla grandezza
del materiale su cui avviene la prova.
Macrodurezza
I tre tipi di prove eseguite più spesso sono:
Brinell
Vickers
Rockwell
Analizzi ora singolarmente ogni prova.
Brinell
Ha un penetratore sferico di diametro D avente durezza prestabilita, viene appoggiato sulla superficie spianata e liscia
e premuto con una forza P; sul pezzo da testare rimane l’impronta di diametro d e profondità p.
La durezza ricavata è il rapporto tra carico P e superficie S e viene indicata HB .
profondità incisione sfera
superficie incisione
La profondità dell’incisione p è difficile da determinare perché quando tolgo la sfera ho un ritorno elastico del materiale,
a scapito della precisione. Per ovviare a questo problema uso il diametro dell’incisione d e lo converto per ottenere la
durezza HB:
La misura è valida e quindi riproducibile per ogni forza P e diametro della sfera D se li impronte sono simili:
costante
È meglio scegliere quando possibile la sfera con diametro maggiore in modo da testare una superficie di materiale
maggiore e quindi mediare la durezza delle eterogeneità strutturali.
Un altro fattore importante è l’angolo di penetrazione
che deve essere lo stesso. Per la norma esso deve essere
pari a:
Per determinare il rapporto forza P / diametro sfera D mi viene in aiuto la norma con le relative tabelle:
Scelgo la lega che devo testare;
Ricavo dalle tabelle il rapporto per avere un angolo di circa 136° (per le leghe ferrose si attesta su 30).
In verità, anche usando le tabelle, l’angolo non è mai precisamente 136° ma si attesta:
Vantaggi
Si basa su un
principio fisicoscientifico;
Va molto bene per
materiali eterogenei
(ghise grigie, sfera
10 mm per norma);
È correlabile con la
tensione massima
(o
Svantaggi
Angolo di penetrazione che varia: non è una
prova universale;
La sfera di acciaio si schiaccia se il materiale in
prova ha durezza paragonabile a quella del
penetratore: non tutto il carico viene assorbito
dal pezzo ma una parte deforma la sfera, in
questi casi uso il Widia, un materiale più duro;
Acciaio HB max 450;
Widia HB max 600.
):
;
È la più eseguita.
Vickers
Prova con penetratore a piramide con angolo al vertice di 136° in diamante; ovvia ai problemi della prova Brinell
dato che il penetratore ha un angolo costante e una durezza maggiore della sfera. Si misura in HV:
carico in Kg
diagonale media in mm
Per eseguire questa prova la superficie deve essere liscia perché il penetratore è piccolo e la rugosità può influenzare la
prova.
I pesi applicati variano da 2 Kg a 100 Kg, meglio se si usano valori maggiori di 5 Kg: il valore Standard è 30 Kg.
Lo spessore del pezzo deve essere almeno 8 volte la profondità della calotta onde evitare che la pressione
provochi fuoriuscita di materiale nella parte diametralmente opposta: questo annullerebbe la prova.
durezza presunta
spessore in mm
Vantaggi
È una universale;
Il penetratore è
indeformabile;
L’angolo è costante a 136°;
Correlazione Brinell – Vickers
Svantaggi
I carichi devono essere maggiori di 30 Kg;
Non va bene per materiali eterogenei, dato che
la zona interessata è limitata.
Come si può notare dal grafico oltre i 600 HB è migliore la prova Vickers.
Rockwell
In questa prova si usano due penetratori:
Sfera di acciaio
con
usata per leghe (e acciai) non duri;
Cono di diamante con angolo al vertice di 120° usato per acciai duri.
I carichi sono 60, 100, 150 Kg, quindi due penetratori e tre carichi possibili danno un totale di sei prove di durezza
possibili; le più usate sono due:
durezza Rockwell con sfera con 100 Kg.
durezza Rockwell con cono con 150 Kg.
Questi penetratori lasciano un’impronta permanente di cui viene misurata la profondità p:
Innanzitutto vediamo che essendoci un valore costante (130 e 100) la prova non si basa su principi fisici ma è una
prova convenzionale; questi valori rappresentano la durezza di un materiale uguale al penetratore per cui la
profondità è zero. Il fattore moltiplicativo 500 viene usato per ampliare i valori di profondità ricavati.
Per eliminare il problema del ritorno elastico del materiale una volta scaricato, si usa un precarico di 10 Kg: lo
strumento viene azzerato dopo aver appoggiato il penetratore con il precarico.
Essendo una prova convenzionale, la sua scala non è lineare, la differenza tra due valori non è costante:
Le due scale b e c (ottenute con i due penetratori e i due carichi prima visti) si sovrappongono per alcuni valori:
corrisponde
Il pregio maggiore della durezza Rockwell, per cui la rende la più eseguita rispetto alle altre, sono i minori costi ed il
minor tempo di esecuzione.
La Rockwell non è correlabile direttamente con la Brinell e la Vickers ma ci sono delle tabelle sperimentali che
permettono un confronto tra le durezze.
Microdurezze
Sono la prova Vickers e la Knoop e sono eseguite per piccoli pezzi come denti degli ingranaggi di orologi o la durezza
della cromatura.
Il carico è sull’ordine dei grammi.
Vickers
È identica alla macro Vickers tranne che il carico ed il penetratore sono più piccoli. Per leggere i valori lo strumento ha
un microscopio:
carico in grammi [g]
superficie calotta
A mano a mano che il carico diminuisce aumenta l’errore, lo scostamento cioè tra la durezza misurata e quella reale:
REALE
< MISURATA
Con meno di 1 Kg l’HV misurata maggiore, di molto, della reale: è buona norma indicare come pedice di HV i Kg usati
(sia in macro che in micro).
Knoop
Il penetratore è una piramide a base rombica con una diagonale maggiore circa 7 volte la minore: questo
perché così bisogna leggere una sola diagonale, la più lunga (circa 3 volte maggiore della Vickers).
superficie proiettata sul piano
La profondità di questa impronta è 3 volte più piccola della Vickers quindi possiamo misurare spessori 3 volte più
piccoli: viene usata in galvanica (cromature) dove gli spessori sono piccoli.
Prove di Resilienza
Verifica l’attitudine degli acciai al cedimento fragile; viene anche detta prova di tenacità dinamica.
Viene usato il Pendolo di Charpy con uno sforzo impulsivo su provetta intagliata.
Le variabili che entrano in gioco in questo tipo di prova sono:
Temperatura;
Rigidezza;
Sforzo impulsivo;
Sforzo triassiale.
Esistono due tipi di prove eseguite su provette le cui dimensioni e intagli sono regolati dalla norma.
Charpy
Prova con provette a sezione prismatica con due tipi di intagli: a U o a V.
Alla radice di una scanalatura si amplifica lo sforzo:
tensione applicata
profondità intaglio
raggio curvatura
Il caso più favorevole è
per cui abbiamo:
Le due provette si equivalgono poiché una è più profonda ed una ha raggio minore.
Il carico arriva dalla parte opposta dell’intaglio.
È la prova più usata per determinare la resilienza: essa si ricava come differenza di energia potenziale:
Charpy intaglio a V
Charpy intaglio a U
altezza iniziale pendolo
altezza finale pendolo
massa pendolo
È la prova più sensibile essendo influenzata da molti parametri (elencati prima); minimo si provano tre provette e, se i
risultati non si discostano molto, si determina un valore medio ed uno minimo.
La più eseguita è la KV. È importante il posizionamento della provetta quindi si usa una maschera o dima.
Possono essere eseguite a
, fino a
(azoto liquido): a più basse temperature l’acciaio manifesta
maggiore fragilità; le normali prove eseguita a temperature sotto zero sono a -20, -60, -196°C.
Izod
In tutto simile alla Charpy ma meno eseguita ed inoltre la provetta viene colpita dalla parte dell’intaglio.
Meccanismi di rafforzamento
Ricordiamo che un materiale metallico deve essere debole in fase di lavorazione (maggiore plasticità) e
resistente in fase di impiego.
Dato che le deformazioni plastiche sono causate dallo spostamento delle dislocazioni, per rafforzare il metallo bisogna
impedire questo movimento, creando una serie di ostacoli alle dislocazioni stesse.
Operando in si fatta maniera aumentiamo
,
,
ma perdiamo plasticità (quindi duttilità) e tenacità.
Analizziamo ora i principali meccanismi di rafforzamento.
Incrudimento
È il più potente meccanismo conosciuto: moltiplica fino a 10 volte la tensione di snervamento
ma penalizza la
duttilità e la tenacità. È molto importante nella progettazione e realizzazione di componenti conservare una parte di
plasticità nei materiali, onde evitare cedimenti improvvisi senza fase plastica (quindi la fase plastica funge da avviso).
Nell’incrudimento consiste nel deformare a freddo un metallo o una lega: i cristalli si allungano nella direzione dello
sforzo. In questo processo le dislocazioni sono molto “prolifere”, si moltiplicano moltissimo, cosicché la possibilità di
ulteriori deformazioni si riduce dato che le dislocazioni si ostacolano a vicenda; ogni dislocazione genera fino a 1000 altre
dislocazioni.
Il movimento delle dislocazioni spezza i giunti dei grani e riduce la grana. I giunti stessi però bloccano il movimento
delle dislocazioni quindi: le dislocazioni si moltiplicano, riducano la grana quindi aumentano i giunti, i giunti bloccano il
movimento delle dislocazioni, il tutto raggiunge un punto di saturazione in cui, continuando la deformazione, il materiale
si rompe.
Il materiale presenta un accumulo di energia interna localizzata in prossimità dei giunti dei grani dove si addensano
maggiormente le dislocazioni: esso diventa perciò maggiormente corrodibile.
Un materiale molto plastico può essere incrudito bene, come le configurazioni cristalline CFC che possono raggiungere 10
volte la
iniziale, mentre quelli meno plastici poco, come il Titanio EC.
Se la deformazione cercata non è raggiungibile a causa delle troppe dislocazioni formatesi, bisogna usare i trattamenti
termici (TT):
TT di Distensione: effettuato ad una temperatura assoluta
ripristina un po’ di plasticità.
TT di Ricottura di Ricristallizzazione: effettuato ad una temperatura
, elimina la
grana cristallina e riparte la nucleazione e l’accrescimento; annulla l’incrudimento ed il materiale torna plastico
come all’inizio.
, riduce l’incrudimento e
Grado di incrudimento
Misura l’incrudimento del materiale come la riduzione percentuale permanente che una sezione iniziale subisce dopo
l’azione di uno sforzo:
sezione iniziale
sezione finale
Dalla formula si vede che l’incrudimento del 100% si ottiene quando la sezione finale è nulla, cosa di fatto impossibile.
L’incrudimento massimo raggiungibile è di circa l’80-90%.
Ricottura di ricristallizzazione
È uno dei trattamenti più usati: rigenera la grana cristallina per nucleazione e accrescimento.
I parametri che governano il processo sono:
grado di incrudimento: è la forza motrice, crea tensioni che il sistema vuole eliminare (aumenta l’energia
libera);
temperatura T: è più efficace rispetto al tempo, come visto precedentemente;
tempo t.
Tutti i parametri hanno un’azione crescente diretta: se aumentano aumenta la ricristallizzazione.
Per avere grana fine non incrudita non dobbiamo eccedere nella temperatura T e nel tempo t sennò abbiamo
il fenomeno del surriscaldamento (grana grossa); in particolari componenti, come gli attuatori elettromagnetici, è
preferibile la grana grossa perché maggiormente permeabile elettromagneticamente (meno giunti dei grani che
ostacolano il passaggio).
Affinamento della grana
È l’unico trattamento che aumenta la resistenza e la tenacità, l’ostacolo al movimento delle dislocazioni è costituito dai
giunti dei grani.
Relazione di Hall-Petch
tensione snervamento policristallino
tensione snervamento monocristallino
costante (natura metallo o lega)
dimensione media cristalli
EC
All’aumentare delle ascisse dato che d si trova al denominatore, più piccolo d diventa, minore è la grana cristallina;
vediamo quindi l’effetto nei vari tipi di celle elementari dell’affinamento della grana e il relativo aumento della tensione di
snervamento.
Questo processo consente di saldare meglio, ricoprire meglio, lucidare meglio ed è quindi sempre molto cercato (migliora
l’aspetto estetico del pezzo da vendere).
Soluzione solida
I metalli allo stato puro sono deboli. La soluzione solida è un meccanismo poco efficiente: può cambiare il colore del
metallo ed al massimo può raddoppiare la tensione di snervamento.
Parte dal principio che tutte le posizioni nel reticolo sono equivalenti, quindi si innestano altri elementi in maniera
sostituzionale o interstiziale: si ha un rafforzamento perché le dislocazioni faticano più a muoversi in un reticolo non
“perfetto”. Il migliore metodo è quello interstiziale con atomi di boro (1ppm ), carbonio(100ppm), azoto (1000 e più
ppm).
Il parametro per misurare il rafforzamento è la distorsione reticolare:
variazione della costante reticolare a sulla variazione di concentrazione c.
Invecchiamento
Viene effettuato su leghe che hanno un diagramma di fase con due soluzioni solide distinte.
Analizziamo il diagramma del processo di invecchiamento:
Fase I°: la lega viene riscaldata fino alla temperatura di solubilizzazione (questo TT viene definito anche
tempra di solubilizzazione) in cui i componenti sono liquidi entrambi;
Fase II°: si rimane alla
per il tempo necessario alla solubilizzazione dei componenti;
Fase III°: si effettua un brusco raffreddamento in acqua in modo che i componenti non abbiano tempo di
formare cristalli separati. A questo punto la lega ha un’elevata plasticità (ma non resistenza) che la rendono
idonea ai trattamenti di formatura;
Fase IV°: si riscalda la lega alla temperatura di invecchiamento (invecchiamento artificiale, se non
eseguissimo questa fase avremmo un invecchiamento più lento detto invecchiamento naturale). Risulta critica la
scelta di questa temperatura in quanto una temperatura maggiore di quella di invecchiamento
rende
le particelle incoerenti con la matrice e porta al superinvecchiamento;
Fase V°: si lascia la lega alla temperatura di invecchiamento per il tempo di invecchiamento e si ottiene la
precipitazione di particelle di un’altra fase con i giunti coerenti con la matrice (il reticolo cristallino viene
mantenuto). Questo valore è legato alla temperatura di invecchiamento ed alla concentrazione del soluto;
Fase VI°: si lascia la lega raffreddare in aria (dopo un mese ha raggiunto il 90% della resistenza massima).
L’invecchiamento aumenta la
di 2,5 volte. È tipico di leghe di alluminio Al, titanio Ti, rame – berillio Cu-Be.
Rafforzamento per precipitazione di fase
Si parte sempre, come nel caso precedente, da due composti con fase solide distinte. Il principio di funzionamento è lo
stesso dell’invecchiamento. Può essere operato in due maniere:
Normalizzazione: si scalda la lega fino a completa solubilità dei due composti e la si raffredda in modo non
lento, ad esempio ad aria, per ottenere dei cristalli del soluto all’interno della matrice, i quali impediscono il
movimento delle dislocazioni (normalizzazione degli acciai);
Rinvenimento: dopo il raffreddamento rapido si opera un riscaldamento in modo da attivare una più fine
precipitazione (rinvenimento negli acciai dopo tempra).
Formatura dei metalli
Vedi introduzione libro (lezione persa).
Esistono vari tipi di formatura:
Formatura per colata in stampi;
Lavorazioni plastiche (a caldo o a freddo);
Lavorazioni per asportazioni di truciolo (o taglio);
Giunzione permanente (chiodatura o saldatura);
Sinterizzazione (o metallurgia delle polveri: pressatura di polveri e cottura);
Tecniche speciali (elettroerosione, idroformatura, etc.).
Formatura per colata
Consiste nel riempimento di una forma cava con un bagno metallico liquido a composizione prescelta; quando possibile
si usa un liquido eutectico data la sua migliore colabilità . Dopo solidificazione si estrae il getto. Importante è la
solidificazione del getto e la presenza di altri problemi collegati a questa operazione di seguito elencati.
Solidificazione del getto
Essa deve avvenire in maniera direzionale cioè dalle sezioni interne verso una materozza e non viceversa per evitare
che la contrazione dia luogo ad una cavità di ritiro (risucchio); questo è possibile con vari accorgimenti:
Posizionamento opportuno di una o più materozze che aiutano a compensare i ritiri da raffreddamento
fornendo liquido metallico;
Raffreddatori per omogenizzare il raffreddamento;
Modifica forma del modello asportando la parte con il risucchio.
Segregazioni
Disomogeneità di composizione provocate da carenza di diffusione. Possono essere:
Minori se coinvolgono singoli cristalli, possono essere eliminate con TT di ricottura;
Maggiori (dette anche liquazioni) se coinvolgono l’intero pezzo metallico, possono essere eliminate
solamente con lavorazioni plastiche a caldo (che eliminano anche le segregazioni minori).
Negli acciai riguardano carbonio C, zolfo S e forsforo P.
Tensioni interne
Sono causate dalla non contemporaneità e dalla non uniformità del raffreddamento nei diversi punti del pezzo metallico.
Si formano così delle differenze di temperatura nel materiale dette gradienti di temperatura che creano delle
contrazioni dimensionali; se queste tensioni non superano la tensione di snervamento
, deformando in maniera irreparabile il pezzo, o la tensione di rottura
, rompendo il pezzo, diventano tensioni interne
, di natura elastica:
Sono accentuate da:
presenza di spigoli;
disuniformità spessore;
bassa conducibilità delle leghe.
Per eliminarle si effettuano dei TT di distensione.
Presenza di gas
Durante la fusione i metalli sciolgono anche elementi volatili, gas appunto, come idrogeno H, ossigeno O, azoto N e
carbonio C. La presenza più pericolosa è quella dell’idrogeno H (fiocchi).
Il gas può dare origine a soffiature (
) e a porosità (
).
Il problema maggiore si trova nella produzione di lingotti e blumi.
Lavorazioni a caldo
È una lavorazione a caldo, con temperatura maggiore della temperatura di ricristallizzazione, per cui la grana rimane
fine; inoltre non si indurisce il materiale come con le lavorazioni a freddo.
Negli acciai avviene ad una temperatura
nella cella CFC (che è la più lavorabile plasticamente).
Analizziamo le varie lavorazioni.
Fucinatura
Ce ne sono due tipi:
Fucinatura Libera: in cui si lascia libertà di deformazione al pezzo;
Stampaggio: la deformazione è vincolata dalla cavità dello stampo (impronta); normalmente si effettua a
perché lo stampo è freddo quindi si ha una perdita di temperatura nella parte a
contatto con lo stampo; si imprime la forma con stampi di varie dimensioni (via via più precisi).
Il riscaldamento non viene effettuato in atmosfera protettiva quindi il pezzo si ossida: si forma uno strato di ossido
detto calamina da rimuovere. Dopo la fucinatura la grana è fine.
FUCINATURA LIBERA
Viene effettuata solo su
STAMPAGGIO
Si parte da billetta o blumo, lo scaldiamo per
lingotti in forni a metano;
Si effettua con presse;
Si esegue per: sbozzare i
lingotti da laminare;
sagomare i lingotti per
costruire grossi manufatti
(alberi, flangie, etc.);
Durante la lavorazione il
pezzo si raffredda, se non ho
finito eseguo un riscaldo
detto calda;
Alla fine eseguo i TT e lavoro
il pezzo alle macchine utensili
(lavori di rifinitura).
induzione con un solenoide, poi si taglia: il
pezzo viene tagliato più grande dell’impronta
ma non troppo; si formano testimoni che poi
vengono rimossi tramite la scorniciatura;
Ci cono stampi a più impronte in presse a
bilanciere o oleodinamiche;
Alla fine eseguo TT e lavoro alle macchine
utensili.
Laminazione
Si esegue su blume e bramme. Si fanno passare attraverso coppie di cilindri detti gabbie che riducono le dimensioni
(gabbie sbozzatrici) o cambiano la forma (gabbie finitrici).
Durante la laminazione il pezzo si scalda per cui occorre raffreddare con acqua. I cristalli e quindi la grana rimangono
allungati lungo il senso di laminazione (fibra allungata).
Billette , blume
Bramme
Lamiere, nastri,
Prodotti lunghi, usando tavola con canali: vergelle, barre,
profilati.
Prodotti piani, usando tavola piana: nastri, bandelle, piatti,
lamiere.
Tubi con e senza saldatura
blumi
La norma definisce i tipi ed i nomi dei nastri, lamiere, etc.
Una gabbia è formata da una coppia di spalle (dischi) che permettono di ruotare e sono uniti da un cilindro la cui
superficie detta tavola è quella che lamina il pezzo.
Le gabbie sono disposte a coppie (duo) una sopra l’altra ed il pezzo vi passa in mezzo; possono essere reversibili se
possono girare sia in un senso sia nell’altro. Possono esserci anche tre gabbie (trio) in cui la rotazione è invariabile.
Le gabbie si trovano in successione formando il cosiddetto treno che può essere aperto se le gabbie sono accostate
dalla parte delle spalle (l’andamento del materiale non è lineare ma curvilineo) o continuo se le gabbie sono allineate (il
materiale prosegue in maniera rettilinea nel laminatoio).
Esistono vari tipi di gabbie come il quarto reversibile in cui ci sono un duo in cui ciascuna gabbia ha due cilindri di
spinta di gran diametro che muovono due cilindri levigatori che laminano; o la gabbia planetaria in cui il cilindro di
spinta è attorniata da molti cilindri più piccoli levigatori. Queste configurazioni servono per risparmiare materiale in
quanto basta sostituire i cilindri piccoli in caso di malfunzionamenti.
È un impianto molto costoso, in cui tutto (velocità, raffreddamento) è gestito dal computer: la temperatura viene rilevata
da un pirometro ottico che deve venire tarato per ogni materiale.
In testa al laminatoio c’è un forno a spinta (a metano ) per scaldare: la spinta è calcolata in base al tempo in cui il
materiale deve restare nel forno e alla velocità di laminazione; dopo il riscaldamento passa in una camera dove acqua ad
alta pressione (100 atmosfere) rimuove la scaglia, la parte ossidata. Notiamo che la velocità di entrata è bassa mentre
quella di uscita è molto elevata (dato che il materiale laminato espande nel verso di laminazione).
Estrusione
Viene eseguita soprattutto sulle leghe leggere ed in qualche acciaio (quest’ultimo è però troppo resistente).
Esistono due tipi di estrusione:
Diretta: il materiale viene spinto attraverso un’apertura opportunamente sagomata. L’uscita del materiale
avviene dalla parte opposta rispetto alla spinta;
Inversa: spinta e uscita del materiale avvengono dalla stessa parte: un punzone viene abbassata su una cavità
contenente il materiale grezzo, il punzone risale e porta fuori anche il materiale sagomato.
Elettroricalcatura
Consente di sagomare solo una parte del pezzo. Ad esempio le viti vengono ricavate da tondini lavorando solo una parte
(la testa, la filettatura avviene in altro modo).
La parte da lavorare viene riscaldata in due fasi:
Riscaldatura;
Forgiatura (detta anche ricalcatura).
Con questo metodo si ottengono valvole per motori a scoppio, viti, dadi, rivetti, etc.
Lavorazioni plastiche a freddo
Vengono effettuata a temperature inferiori alla temperatura di ricristallizzazione, normalmente a
. Durante
questo processo il materiale si incrudisce. Si effettua su pezzi ricotti e decapati .
Si possono raggiungere ottime tolleranze dimensionali e finiture speciali.
Queste lavorazioni non ossidano il materiale e danno tolleranze molto ristrette e rugosità assai inferiori.
Hanno lo svantaggio di richiedere più sforzo a parità di deformazione (rispetto a quella a caldo).
Laminazione (a freddo)
Viene effettuata per pezzi piccoli (fili, tondini), la lucidatura è ottima e spesso pronta all’impiego; si ottengono lamiere
molto sottili.
Rullatura (filettatura)
Serve per filettare organi che devono essere avvitati (viti, perni, etc.).
Può essere eseguita da rullatrici piane (più veloce ed economica) o circolari (per viti di grandi dimensioni).
Coniatura
Serve ad imprimere una forma, su una superficie, in rilievo: si esegue con un punzone che insiste su una matrice.
Tranciatura
Taglio, perimetrale o interno, con punzone. Può essere grossolana (con bordi del taglio sfrangiati) o fine (bordi netti
senza bisogno di ulteriori operazioni).
Trafilatura
Consiste nel far passare un pezzo attraverso una fessura detta filiera tirandolo da davanti: utile per ricavare anche fili di
ridotte dimensioni (
).
Viene eseguita a passi fino ad un massimo di 14.
Questa lavorazione incrudisce il materiale che si può rompere: viene effettuata quindi una ricottura in atmosfera protetta
per continuare i passi attraverso la filiera.
Piegatura
Curvatura di lamiera anche con angolo retto (
): è formata da 2 appoggi ed un punzone che curva la
lamiera.
Il parametro più critico è il raggio di curvatura e deve essere deciso in base allo spessore del materiale altrimenti si può
rompere formando una cricca.
Calandratura
Piegatura fino ad ottenere anche un cilindro, usata per tubazioni, serbatoi, etc. che poi vengono saldati.
Imbutitura
Operazione tra le più diffuse eseguita per produrre pezzi cavi, come ad esempio vasche da bagno, con angoli minori
dell’angolo retto (
) cioè senza sottosquadri.
È eseguita appoggiando la lamiera su una matrice (die), su cui va ad insistere il punzone (punch) mentre la lamiera
(blank) è tenuta in posizione da un premilamiera (blankholder).
Richiede un materiale estremamente plastico: la normativa lo classifica in vari gradi, il più plastico è quello da profondo
stampaggio, usato per vasche da bagno, carrozzerie auto, etc.
Quando il punzone stira la lamiera questa si allunga, bisogna assolutamente evitare la strizione.
Usiamo il coefficiente di incrudimento n (ed altri) per valutare il grado di imbutibilità della lamiera.
Nell’imbutitura riesco a fare forme più complicate rispetto alla piegatura.
Lavorazioni per asportazione di truciolo
Consiste nell’asportazione di un ricciolo o truciolo con utensili.
Prendiamo un corpo più duro (utensile) ed incidiamo il materiale da lavorare ricavando truciolo piccolo (utensile
finitore, per rendere la superficie liscia, con minore rugosità) o grande (utensile sgrossatore, usato come prima
lavorazione).
Possiamo avere:
Lavorazioni a secco;
Lavorazioni a umido: con liquido lubrificante e refrigerante per avere meno attrito e meno calore e non
indebolire l’utensile.
Con questo metodo si effettuano moltissime lavorazioni come fresatura, foratura, alesatura, filettatura, piallatura,
pelatura per rollatura, rettifica, etc.
Fresatura
L’utensile è da taglio con parte tagliente che incide generando calore ed attrito:
a:
per
lavoro di deformazione
b:
per attrito
utensile – truciolo
c:
per attrito
utensile – superficie
lavorata
È un’operazione “micidiale” per l’utensile: viene infatti costruiti con materiali pregiati quindi molto costosi.
Fresatrice: macchina per fresare.
Fresa: utensile che fresa da collegare alla fresatrice; ce ne sono di molti tipi diversi: creatore, frese varie, alesatore,
broccia, etc.
Rettificatura
È l’operazione più costosa di quelle per asportazione di truciolo perché viene eseguita su pezzi finiti e leghe che hanno
già subito i TT, quindi sono molto duri. Di conseguenza necessitiamo di un utensile molto duro, più del materiale da
lavorare.
È effettuata con mole abrasive (ottenute con polvere abrasiva immersa in resina sintetica): l’abrasivo ideale è il
diamante con cui costituiamo le mole diamantate (molto costose), segue poi l’allumina o corindone, il carburo di
silicio (SiC, è il più economico dei tre).
In questa lavorazione viene asportato poco materiale per volta, al massimo 2/100 di mm di spessore, quindi bisogna fare
molte passate, di conseguenza aumentano i costi.
Inoltre bisogna smaltire i fanghi cioè le particelle di metallo rettificato, le particelle della mola ed il liquido lubrificante e
di raffreddamento, il tutto viene eseguito da ditte specializzate alzando ulteriormente i costi.
L’abrasione porta al consumo della mola quindi và ravvivata per ripristinare i cristalli della superficie.
La rugosità ottenuta con questa lavorazione è la minore possibile, fino ad
.
Si sviluppa molto calore quindi deve essere irrorata di fluido: il calore può infatti microfessurare la superficie di attrito e
creare delle cricche dette cricche di rettifica.
Questo grafico rappresenta l’andamento della resistività termica
nelle leghe: si vede che verso il 50% di
composizione la resistività termica è elevata quindi ne consegue che le leghe, a seconda della composizione, smaltiscono
male il calore e vanno lavorate più lentamente onde evitare la formazione di cricche.
Giunzioni
Chiodatura
Giunzione permanente di 2 o più organi effettuata tramite chiodi (o rivetti) plastici ribattuti. Questi dopo la ribattitura
incrudiscono quindi aumentano la resistenza (a differenza della plasticità che avevano prima).
Saldatura
Classifichiamo la saldatura in due principali:
Brasatura: in cui i due lembi da unire non fondono;
Fusione: fondono parzialmente i lembi da unire fino a formare un tutto continuo. Si può usare un materiale da
apporto con composizione uguale ai lembi. Per l’unione in testa di due lamiere i lembi vanno cianfrinati cioè
sagomati per ricavare un bacino in cui si deposita il materiale da apporto fuso.
Nella zona di saldatura si forma il cordone, cristalli molto grandi orientati secondo la direzione di smaltimento del calore,
cioè allungati verso i lembi. Nella parte superiore della saldatura si accumulano le imperfezioni che verranno eliminate
tramite spianatura (nella zona superiore di saldatura si crea un rigonfiamento, dovuto all’utilizzo di più materiale da
apporto del necessario).
Il giunto non si rompe nella saldatura ma a ridosso del cordone di saldatura, a circa 2-3mm, nella zona termicamente
alterata dalla saldatura.
Questa zona subisce una tempra (negli acciai diventa martensite) a causa del rapido raffreddamento.
Questa fragilità è dovuta al tenore di carbonio C quindi per valutare la saldabilità di una lega ci si rifà alla formula
seguente:
Con cui ricaviamo il carbonio equivalente: possiamo notare come elementi come il manganese Mn incidano 6 volte
meno del carbonio: questo va valutato quando si decide il tipo di lega a seconda del suo impiego e delle lavorazioni che
dovrà subire.
post-riscaldamento di distensione
pre-riscaldamento per diminuire la velocità di raffreddamento
Riportando un esempio pratico, nelle travi da costruzione con tenore di carbonio massimo dello 0,2% non posso
aggiungere altro carbonio, anche se mi darebbe più resistenza, dato che mi abbassa la saldabilità; alzo quindi la
percentuale di manganese che, come già detto, influisce 6 volte meno del carbonio.
Nelle leghe leggere l’invecchiamento viene effettuato dopo la saldatura.
Sinterizzazione
Tecnica di formatura ottenuta tramite pressatura (
) e cottura (
) di
polveri metalliche .
Metto un legante con le polveri, presso e metto il tutto in forno: rimane una certa porosità (
) che è un centro
di debolezza; questa tecnica non è adatta per metalli per strutture. Viene usata per: grilletti armi, martelletti macchine
da scrivere, organi a bassa resistenza.
Per ovviare al problema di resistenza dovuto alla porosità presente è nata la compattazione isostatica a caldo, che
dona caratteristiche superiori anche agli acciai fusi normalmente.
Questa viene ottenuta inserendo le polveri (il pezzo) in una autoclave (1500 bar) riscaldata con all’interno gas ad alta
pressione che compatta la forma ed elimina le porosità.
Ha anche il pregio che non ha fibratura, ha i cristalli equiassici ed il pezzo è completamente uniforme come proprietà.
Con questa tecnica si possono ottenere anche lingotti da lavorare (ad esempio negli acciai rapidi).
Elettroerosione
Asportazione mediante arcoelettrico (fino a 4000°C). è una tecnica di lavorazione che non dipende dalla durezza del
materiale, quindi si può acquistare materiale già trattato velocizzando così l’esecuzione.
È formato da tre parti:
Pezzo che funge da anodo quindi si corrode;
Elettrodo che funge da catodo;
Liquido dielettrico che non trasporta corrente ma raffredda.
La scarica elettrica è causata da un’alta differenza di potenziale tra anodo e catodo per cui l’acciaio vaporizza. Può essere
effettuata con:
Macchina a filo in cui il catodo è un filo, usata per tagli, intagli, fori;
Macchina a tuffo con catodo più grande per scavare l’acciaio.
Con questa tecnica vengono fatti ad esempio gli stampi per le monete da coniare.
Altera solo minimamente le caratteristiche del metallo: un piccolo strato, vicino alla parte sublimata, si liquefa e raffredda
rapidamente; si forma così uno strato vetroso di metallo, debole, rimosso in seguito con lucidatura.
Affinché questo strato sia il minor possibile bisogna lavorare lentamente e quindi anche a temperature più basse.
Il Ferro e le sue trasformazioni
Il nostro interesse si rivolge al ferro perché:
è possibile fare TT grazie alla forma allotropica;
ha notevole rigidezza (
) e tenacità (3 volte l’alluminio);
piccole percentuali di carbonio C variano sensibilmente le proprietà;
ha un costo accettabile (circa metà dell’alluminio) ed un processo di fabbricazione economico.
Forme allotropiche
Ha 3 forme, anche se solamente due sono quelle che ci interessano:
-
: ferromagnetico con cella CCC fino a 912°C;
-
: con cella CFC;
Questi valori valgono per trasformazioni infinitamente lente, quindi come successione di stati di equilibrio, una cosa
praticamente irrealizzabile. In verità le temperature variano sia al riscaldamento sia al raffreddamento per un fenomeno
detto isteresi termica, dovuta alla diffusione del calore. Per una maggiore precisione allora indichiamo con pedici
diversi le temperature al riscaldamento ed al raffreddamento:
al riscaldamento
al raffreddamento
I pedici r e c derivano dal francese raffreddare e riscaldare.
Analizziamo ora uno dei più importanti diagrammi, per quanto riguarda la metallurgia, quello ferro – carburo; il primo
analizzato sarà il diagramma di fase, poi vedremo il diagramma strutturale, simile a quello di fase ma molto più ricco di
informazioni.
Diagramma di Fase Fe-C
Il diagramma rappresenta le fasi di ferro e carbonio con una percentuale di carbonio variabile dallo 0% al 6,67%, a
seconda della temperatura.
-
: cementite si forma con percentuali di carbonio oltre il 6,67%; è durissima ma fragilissima per natura e per
grossezza cristallina. La cementite è molto dura e fragile;
-
: ferrite esiste fino a 911°C e come peculiarità ha che il carbonio è pochissimo solubile. Dal diagramma si vede
infatti che esiste con concentrazioni di carbonio prossime allo zero. Alquanto plastica;
-
: austenite esiste nel range di temperature di 911 – 1390°C e fino a concentrazioni di carbonio pari al 2,14%.
Molto plastica.
L’utilità della rappresentazione che ho evidenziato nel diagramma sta nel fatto che, a seconda della temperatura e della
concentrazione che abbiamo, possiamo determinare i componenti che si formeranno tramite delle isoterme. Fra breve
analizzeremo più dettagliatamente l’esistenza di questi composti.
Il valore di concentrazione del 2,14% di carbonio delimita anche il campo di esistenza di acciai e ghise, come
evidenziato in figura.
Durezza: per paragonare le durezze determinate oggi, valutate in Newton N, con quelle del passato, valutate in Kg, si
usa l’uguaglianza 9,8N = 1Kg. Per ottenere i Newton N avendo i Kg moltiplico i Kg per 0,102.
Duttilità: ricordiamo in questo caso che consideriamo la duttilità come l’allungamento percentuale
.
: temperatura di fusione, questi trattamenti termici vengono effettuati ad una temperatura inferiore alla temperatura
di fusione.
Ppm: parte per milione.
Precipitazione: si formano dei cristalli di soluto all’interno della matrice che ostacolano il movimento delle dislocazioni.
Forma: usata per il colaggio del liquido metallico; può essere di terra o metallica ed è composta dal getto, materozze
(per compensare il ritiro), anime (servono per creare i vuoti all’interno dello stampo), colaticci.
Colabilità: attitudine di un liquido metallico a riempire una forma complessa standard.
Materozze: volume-serbatoio collegato alla forma in cui colo il liquido metallico usato per ovviare ai problemi di ritiro di
raffreddamento.
Testimoni: fuoriuscita di materiale dall’impronta nel canale di bava che testimonia una corretta scelta della grandezza del
pezzo; se non vi fosse fuoriuscita lo stampaggio non sarebbe esatto se invece ve ne fosse troppa sprecheremmo
materiale.
Billetta: massello uscito da un impianto per colata continua a sezione quadrata con lato non superiore a 100mm.
Blumo: vedi billetta ma con lato superiore a 100mm.
Bramme: massello a sezione rettangolare impiegato nella laminazione di lamiere.
Tubi senza saldatura: vengono realizzati laminando un pezzo in laminatoi speciali sghembi (cilindri non paralleli) in
cui il materiale viene forato da una spina ad ogiva che ne realizza la concavità interna.
Pirometro ottico: strumento che rileva le emissioni dovute al calore e quindi alla temperatura del materiale.
Metano: formula chimica
.
Ricottura: serve ad ottimizzare la plasticità del materiale.
Decapaggio: processo per rimuovere la scaglia di ossido, nel caso il forno usato nelle precedenti lavorazioni non fosse
stato ad atmosfera protetta; viene effettuato per via meccanica, chimica (si usano delle soluzioni acide o alcaline nel
caso di leghe leggere, ambedue sono costose da smaltire) o elettrochimica.
Passo: è chiamato così un passaggio attraverso la filiera.
Polveri metalliche: sono particelle sferiche dell’ordine di
ottenute investendo con gas (azoto o argon) il metallo
liquido colato; si ottiene una solidificazione a sfere (tipo aerosol).
Temperatura Eutectica 1147°C: alla concentrazione del 4,3% C di carbonio il bagno liquido solidifica in
due solidi austenite (con 2,14%C) e cementite (con 6,67%C);
Temperatura Eutectoidica 727°C (
): alla concentrazione dello 0,8%C in cui il solido di austenite,
raffreddato, si trasforma in ferrite + cementite;
Evidenziamo che nel caso le concentrazioni siano inferiori o superiori a quelle indicate per la T.Eutectica o Eutectoidica, si
parlerà di concentrazioni ipo – eutectica/eutecotidica e di concentrazioni iper – eutectica/eutectoidica.
Nel grafico si notano anche delle linee tratteggiate: esse indicano il diagramma di fase nel caso in cui, al posto della
cementite, si formi grafite; questo avviene quando i processi di raffreddamento sono molto lenti (raffreddamento in
forno). La grafite ha molti utilizzi data la sua durezza prossima a quella del diamante ed è usata, ad esempio, come
abrasivo nelle mole diamantate. Può essere raccolta dal bagno liquido raffreddando lentamente dato che affiora in
superficie.
Diagramma Strutturale Fe – C
Ledeburite
+
Cementite Primaria
Austenite
+
Ledeburite
+
Cementite Secondaria
Il grafico indica i composti che si formano, raffreddando una lega metallica liquida Fe-C, a seconda della percentuale di
carbonio e della temperatura.
Evidenziamo i componenti che si formano al variare della temperatura e della percentuale di carbonio:
Ferrite: è una soluzione solida di piccole percentuali di carbonio nel Feα, presente con C<0,8% (composizione
eutectoidica) e al di sotto della temperatura A1;
Austenite: è una soluzione solida di carbonio nel Feγ, stabile ad alte temperature e quindi presente al di sopra
della temperatura A1 e fino alla composizione C<2,14 %;
Cementite: carburo di ferro Fe3C che si forma dal raffreddamento della lega ferro – carbonio e che esiste in
varie forme (primaria e secondaria) a seconda della percentuale di carbonio. È un composto molto duro e
fragile;
Perlite: miscela di ferrite e cementite disposte a lamelle alternate. È resistente e tenace;
Ledeburite: miscela di austenite e cementite disposte a “pelle di leopardo”. È dura e fragile. La ledeburite
trasformata è la ledeburite che, non potendo esistere al di sotto della temperatura A1, si trasforma in ferrite e
cementite.
Queste strutture sono compatibili con trasformazioni di equilibrio, con tempi molto lunghi; la ricottura è il trattamento
che più si avvicina alle trasformazioni di equilibrio.
Elementi ausiliari
Gli elementi che vengono legati al ferro per dargli opportune caratteristiche si dividono in due grandi gruppi:
Alfageni: elementi affini al
Gammageni: elementi affini al
come il Si, Cr, Mo, W, V ;
come il C, N, Mn, Ni .
Questi elementi si aggiungono ad esempio per conferire anticorrodibilità alla lega: Fe-Cr è un acciaio inox ferritico usato
ad esempio per parti di monete, Fe-Ni viene aggiunto per ampliare il campo di temperatura dell’austenite ed anche per
averla a temperatura ambiente (con elevate concentrazioni).
Silicio
Viene aggiunto per disossidare il bagno liquido, recuperare cioè il ferro ossidato che, in soluzione nel bagno, pregiudica
le qualità meccaniche; può venire usato anche l’alluminio che ha una resa migliore ma forma allumina allo stato
colloidale che fatica a venire a galla per essere eliminata, provocando così delle inclusioni dannose. Con questo processo
l’acciaio viene calmato (non è più effervescente) .
Si usano tenori fino ad un massimo dello 0,40%.
Manganese
Serve anch’esso a disossidare il bagno ma ha minore efficacia rispetto a silicio ed alluminio. Il suo impiego più
importante è la desolforazione.
Viene aggiunto con tenori fino a 0,30÷0,70%. Normalmente non viene indicato fino a queste percentuali ma se vi sono
percentuali maggiori deve essere indicato ed abbiamo gli acciai al manganese.
Elementi Nocivi
Zolfo
Simbolo S, provoca la fragilità al rosso . La sua presenza deriva dalla rottamazione (auto) e dalla presenza di
pneumatici nei rottami; durante la lavorazione a caldo si forma FeS (solfuro di ferro) che assieme al Feγ dà un eutectico
bassofondente (988°C): questo eutectico solidifica con le ultime frazioni di liquido ai giunti dei cristalli indebolendo così la
struttura che si può sgretolare durante le successive lavorazioni.
Il tenore massimo S≤0,035% (norma): viene eliminato tramite manganese che forma solfuri altofondenti plastici, utili
per truciolabilità dell’acciaio, ma che penalizza strizione, resilienza, fatica dell’acciaio.
Fosforo
Simbolo P, provoca anch’esso fragilità al rosso come lo zolfo. Insieme a carbonio e ferro forma un eutectico ternario
che solidifica a 953°C dando gli stessi problemi dello zolfo.
Si può evitare limitando il massimo P≤0,035%.
È nocivo anche perché provoca:
Fragilità al freddo: perché aumenta la grossezza della grana;
Struttura a bande: negli acciai ipoeutectoidici contrae il reticolo dell’austenite e impedisce la solubilizzazione
del carbonio che si concentra in zone povere di fosforo; se l’acciaio viene laminato a caldo si ottengono, dopo il
raffreddamento, bande di ferrite (povere di fosforo) e perlite (ricche di fosforo). Rendono difficoltose le
lavorazioni plastiche, la tempra e peggiorano duttilità e resistenza a fatica. Le bande si possono ridurre con la
normalizzazione prima della tempra.
Idrogeno
È il più nocivo. Dà luogo ad una impurezza gassosa che dà fragilità a qualsiasi metallo (fiocchi ). Per evitarlo basta
avere scrupolo durante la fabbricazione, dato che deriva dall’acqua di raffreddamento del forno per lo più. Date le sue
dimensioni esce dal bagno liquido facilmente, quindi basta ritardare la colata per evitarlo.
Per creare problemi bastano 4-5 ppm.
Per verificare la presenza di idrogeno si usa una prova non distruttiva ad ultrasuoni, dato che essi si propagano in
proporzione alla densità e l’idrogeno (fiocchi) è meno denso.
Cinetica delle trasformazioni
Le trasformazioni previste dal precedente diagramma prescindono dal tempo impiegato affinché avvengano, ipotizzando
trasformazioni come successioni di stati di equilibrio. In realtà, a causa del carattere diffusivo di questi fenomeni, il
tempo assume un ruolo importante. Possiamo così ottenere altri diagrammi:
TTT: curve isoterme o curve di Bain ottenute variando bruscamente la temperatura e osservando l’evoluzione
a temperatura costante (isoterma appunto);
CCT: curve anisoterme ottenute operando sulla velocità di raffreddamento (CCT) o riscaldamento (CHT).
Curve TTT (Temperature – Tempi – Trasformazioni)
Sono ottenute con acciai allo 0,8% C austenizzati, cioè portati a temperatura superiore a quella critica Ac1≡Ac3 ,
sottoraffreddati rapidamente in bagni liquidi a temperature diverse e mantenuti alle diverse temperature
(isotermicamente quindi). A seconda del sottoraffreddamento abbiamo resistenze HV diverse.
Praticamente il grafico va interpretato così: noi ci troviamo con i provini ad una temperatura superiore a quella critica,
sottoraffreddiamo ad una temperatura variabile e manteniamo poi il provino, al passare del tempo, a quella temperatura,
osservando ciò che avviene nella sua composizione.
A sinistra del naso della curva di Bain abbiamo l’austenite instabile, un composto che tende a variare nel tempo, che
evolve appunto in struttura perlitica o bainitica a seconda del sottoraffreddamento. Se il sottoraffreddamento rientra in
una certa temperatura tra Ms (o martensite start) e Mf (o martensite finish) si ottiene martensite. Questa è una
trasformazione indipendente dal tempo. La martensite ha struttura tetragonale a corpo centrato pressoché priva di
scorrimento e tensionata: è dura e fragile e non può mai essere utilizzata così com’è.
Nelle zone intermedie del grafico c’è la coesistenza delle strutture confinanti.
Queste curve sono molto importanti nei trattamenti isotermici.
Analizziamo alcuni aspetti termodinamici della martensite.
Il Feγ raffreddato tende a trasformarsi in Feα, liberandosi del carbonio in eccesso, ma dato il brusco raffreddamento
operato questo non è possibile, il metallo non riesce a raggiungere uno stato di minore energia, quindi l’austenite
stabile diventa martensite (invece che perlite).
Quanto più carbonio c’è nel reticolo, maggiore deformazione subisce la cella di martensite, quindi maggiore durezza; una
durezza massima si raggiunge all’incirca con lo 0,6% di C, poi rimane stabile il valore.
Da sottolineare che gli elementi leganti non influenzano la durezza della martensite (se non in minima parte),
ma solamente il carbonio.
Curve CCT (Continuos Cooling Transformation)
Sono trasformazioni a raffreddamento continuo. Si parte sempre da un acciaio 0,8%C austenizzato sopra a Ac1≡Ac3 e
raffreddato a velocità
differenti.
Analizziamo il grafico. Esso è sovrapposto a quello delle TTT (quello prima analizzato è tratteggiato) ma a seguito del
raffreddamento continuo il TTT cambia: la curva di trasformazione perlitica viene spostata in basso e a destra e quella
bainitica viene soppressa. A seconda della velocità di raffreddamento otteniamo strutture diverse, che nella pratica
corrispondono a trattamenti termici diversi:
Ricottura profonda: curva a (si trova al di sopra della curva b, non indicata in figura), è un lento
raffreddamento (in forno) con cui ottengo perlite grossolana;
Normalizzazione: curva b, raffreddamento un po’ più rapido (aria calma) che da luogo ad una perlite fine;
Tempra: curva f, raffreddamento energico (acqua) forma direttamente martensite. La curva e rappresenta la
velocità critica di tempra, la minima velocità per ottenere 100% di martensite;
Nella curva d otterremo strutture miste perlite-martensite.
Curve TTT e CCT – Considerazioni
La presenza di tenori di carbonio diversi, normalmente ipoeutectoidici C≤0,8% e/o di elementi leganti modifica le curve
TTT e CCT:
Elementi in soluzione nell’austenite (C, Mn, Cr, Mo) distorgono il reticolo, ritardandone la trasformazione; le
curve si spostano verso destra, quindi le trasformazioni richiedono più tempo;
Grana grossa: più grande è la grana di partenza meno siti di e nucleazione sono disponibili, quindi la
trasformazione viene ritardata e le curve si spostano verso destra (non verrà sfruttato questo fatto perché la
grana grossa dà fragilità);
Disomogeneità chimiche (segregazioni) e strutturali (presenza di fasi non solubilizzate, ad esempio
carburi) velocizzano la trasformazione, le curve si spostano verso sinistra.
Nella progettazione di organi meccanici cercheremo di spostare le curve verso destra sfruttando la composizione della
lega utilizzata.
Trattamenti Termici (TT)
Si tratta di cicli che prevedono un riscaldamento ad una certa temperatura T, una permanenza alla temperatura per
un tempo t ed un raffreddamento.
La velocità di riscaldamento è pari alla
.
La velocità di raffreddamento è pari alla
.
Questa è una esposizione semplificata del processo in quanto a volte si effettuano degli arresti per livellare la
temperatura (a causa della diffusione termica).
Questi trattamenti si effettuano per ottenere una struttura diversa da quella di partenza con caratteristiche diverse.
La possibilità di TT è una peculiarità del ferro dovuta alla sua allotropia: importanti risultano quindi i punti critici
A1, A3 e Ms che normalmente vengono indicati da chi vende il materiale. Nel caso non siano disponibili, per ricavarli
posso applicare le formule:
A cui sono affiancati i relativi margini di errore. Non conoscendo la composizione esatta della lega ci si riferisce alla
“forcella” di valori che possono avere i componenti secondo il nome della lega e la norma (si prende il valore medio).
Il riscaldamento è la fase più delicata per due motivi:
Atmosfera forno: soprattutto negli impianti per trattamenti finali, tipo tempra; c’è la possibilità di
ossidazione con formazione di calamina e decarburazione per cui la superficie si impoverisce di carbonio e
diventa ferrite, la quale non prende la tempra;
Velocità di riscaldamento: si possono formare gradienti di temperatura tra la superficie e l’interno del
pezzo che creano tensioni secondo la formula:
Dato che E≈α (modulo di Young ≈ coefficiente di dilatazione termica) la tensione interna è dovuta alla differenza di
temperatura che nei lingotti si può attestare in 400÷500°C con tensioni perciò nell’ordine di 400÷500 MPa. Se l’acciaio è
legato la conducibilità termica è minore. La soluzione sono riscaldamenti con soste intermedie per avere ΔT minori.
Ricottura
Non è un trattamento finale (solo nel caso dell’acciaio dolce come quello per attuatori elettromagnetici che necessitano
di particolari caratteristiche magnetiche) ma intermedio per facilitare le successive lavorazioni.
Abbiamo vari tipi di ricottura a seconda della temperatura a cui viene effettuata:
Completa
T=Ac3+25÷50°C Non viene quasi mai eseguita dato che è molto
costosa. Dopo il riscaldamento si esegue un
raffreddamento in forno a 400°C (300°C se
legato): il materiale ha massimo
addolcimento, quindi lavorabilità, per
deformazione plastica e asportazione di truciolo. Il
difetto è la durata elevata di questo TT, che
può arrivare anche a due giorni.
Lavorabilità
T=650÷700°C
Elimina le eterogeneità e diminuisce la
durezza per le successive lavorazioni. È la più
eseguita in quanto è necessario metà tempo
rispetto alla completa. Viene detta anche ricottura
sub-critica.
Ricristallizzazione T=650÷820°C
Effettuata su un sublavorato incrudito per
ricristallizzare, ottenendo così una nuova
struttura senza variare le caratteristiche ma non
più incrudita. Negli acciai per elettrovalvole è un
trattamento finale.
Globulizzazione
T=Ac1±50°C
Usata negli acciai ipereutectoidici (cuscinetti a
sfera, cementite durissima): si riduce così la
superficie dei carburi altrimenti l’utensile si usura.
In pratica i carburi aumentano di volume (sferico)
offrendo così all’utensile una superficie minore.
Vengono creati carburi globulari: per ottenerli
si pendola con la temperatura sopra e sotto i
valori indicati, poi si raffredda in forno a 300°C e
poi in aria. Se l’acciaio è ipoeutectoidico prima
eseguo una ricottura di lavorabilità.
Normalizzazione T=Ac3+70°C
Affina (grani piccoli) e uniforma (tutti delle
stesse dimensioni) la grana. È un trattamento
utile per l’azienda produttrice ma non pagato
dal cliente: favorisce i trattamenti successivi
come la carbocementazione e la tempra.
È un trattamento finale solo per grossi fucinati di
acciaio al carbonio.
Distrugge le strutture a bande.
Tempra
Consiste nel congelamento (spegnimento) a T ambiente di una struttura stabile solo alle alte temperature, in modo da
averla anche alle basse temperature. Crea delle tensioni interne. Esistono due tipi di tempre.
Tempra di soluzione o solubilizzazione
Osservando un diagramma di stato a due componenti con due solidi distinti, si porta la lega alla temperatura necessaria
affinché le due fasi siano solubilizzate e si raffredda rapidamente a T ambiente cosicché la fase β rimane in soluzione.
Aumenta la tenacità della lega.
Questo TT è usato:
inox austenitici: con fase β carburi di Cr o Cr-Mo, per mandare in soluzione i carburi che altrimenti
provocherebbero una corrosione elettrochimica ai bordi dei cristalli;
acciai austenitici 13%Mn (acciaio in trapanabile): con fase β carburi di Fe e Mn per mandare in soluzione i
carburi che, per la loro particolare forma aghiforme, farebbero perdere tenacità;
leghe da invecchiamento per precipitazione: eseguita per rafforzare organi meccanici già lavorati.
Tempra di durezza
Si effettua per ottenere una struttura durissima anche se fragile.
Si ottiene raffreddando bruscamente qualsiasi acciaio ipoeutectoidico (C<0,20%) o ipereutectoidico. Normalmente viene
eseguita su acciai da costruzione ipoeutectoidici.
La struttura che si ottiene è martensite.
Gli inconvenienti sono:
Tensioni interne: la trasformazione austenite-martensite avviene con variazione di volume non uguale in tutto
il solido, quindi bisogna limitare la velocità di raffreddamento il più possibile onde avere le minori tensioni
interne, che possono dare luogo a cricche di tempra. Risultano utili le curve CCT;
Decarburazione superficiale: se il forno non è ad atmosfera protetta la superficie si impoverisce di carbonio
e temprandola si trasforma in ferrite, debole e soggetta a cricche;
Temperatura: se troppo bassa non si raggiungerebbe la durezza voluta; se alta otterremmo l’ingrossamento
dei cristalli (surriscaldamento); se molto alta otterremmo la fusione dei bordi dei cristalli e la rottamazione
del pezzo (bruciatura);
Austenite residua: i leganti possono abbassare la Mf sotto la T ambiente impedendo l’ottenimento di
martensite in tutto il pezzo; l’austenite residua peggiora la resilienza e la resistenza a fatica; si può eliminare
con un rinvenimento.
Temprabilità
È l’attitudine di un acciaio ad assumere struttura martensitica anche negli strati interni. Per ottenere questo si usano i
leganti per spostare la curva CCT (come indicato prima). Dato che per avere martensite al 100% fin nel cuore del pezzo
si dovrebbero usare troppi leganti (quindi maggiori costi) ci si accontenta di raggiungere una percentuale a seconda
dell’impiego:
- 50% pezzi bonificati;
- 70% organi elastici;
- 80% pezzi carbocementati.
La quantità di martensite ottenibile può essere valutata attraverso le due prove di temprabilità: Grossman e Jominy.
Metodo Grossman
È un metodo per tentativi: si usano tondi temprati di cui si analizzano le sezioni tracciando un grafico.
Un valore approssimativo si può ottenere con un solo tondo.
Viene misurato il diametro critico reale, ottenuto tracciando il grafico detto curva ad U nel cui punto di flesso
presenta un abbassamento della durezza: la distanza dalla circonferenza esterna al punto di flesso è il diametro cercato.
Questo rappresenta il diametro per cui ho il 50% di martensite nel cuore del pezzo.
Metodo Jominy
È una prova unificata (tutte le norme del mondo): si usa una provetta cilindrica con diametro di 25mm e altezza 100 mm
austenitizzata e raffreddata con un getto dalla parte inferiore. Si misura poi la durezza partendo dalla parte inferiore, in
cui è maggiore, a salire, costruendo il diagramma detto curva di Jominy.
Da tale curva determino a che distanza ho il 50% di martensite (grafico con più tipi di acciai): queste rilevate sono però
durezze superficiali quindi uso un ulteriore diagramma per correlarle con il diametro critico.
Il pregio della Jominy rispetto a Grossman è la velocità di esecuzione.
Rinvenimento
Tenacità: tenacità statica, indice della capacità di un materiale di immagazzinare energia nel campo elasto-plastico
prima di arrivare a rottura sotto sforzi di trazione
Dopo la tempra la struttura risultante è martensitica, quindi dura ma molto fragile, ed anche può contenere austenite
residua: martensite ed austenite, essendo metastabili, tendono a diventare ferrite + cementite a temperatura ambiente;
tramite un trattamento termico, detto rinvenimento, accelero questa loro propensione a trasformarsi in strutture più
stabili.
Dato che l’evoluzione verso l’equilibrio passa attraverso trasformazioni intermedie, con proprietà meccaniche differenti,
per ogni acciaio vengono diagrammate queste fasi con le loro proprietà meccaniche nelle cosiddette curve di
rinvenimento. Si può notare in queste curve come le caratteristiche di resistenza (tensione di rottura e di
snervamento, durezza) tendano a calare salendo con la temperatura di rinvenimento, mentre le
caratteristiche di duttilità (allungamento, strizzone percentuale) e di resilienza tendano a crescere.
Bisogna sottolineare che le caratteristiche meccaniche rappresentate dalle curve di rinvenimento dipendono anche dalle
dimensioni del pezzo per il cosiddetto effetto massa , per cui le curve riportano anche le dimensioni del provino.
Un'altra componente da considerare è la presenza di elementi leganti che ostacola la diffusione: per avere le
stesse caratteristiche meccaniche su acciai legati bisogna rinvenire a temperature più elevate; questo effetto è noto
come stabilità al rinvenimento.
In acciai legati contenti Cr, Mn, Cr-Mn, Cr-Ni, se rinvenuti alla T=430÷570°C manifestano una diminuzione di
resilienza nota come fragilità al rinvenimento o malattia di Kroop ; per evitarla bisogna:
Evitare l’intervallo di temperatura critica;
Rinvenire ad alta temperatura e raffreddare bruscamente in acqua per evitare l’intervallo pericoloso;
Aggiungere Mb in fase di fabbricazione perché riduce questo fenomeno (costoso).
Un altro aspetto riguarda gli acciai contenti almeno il 5% di Cr, Mo, W, V: la loro durezza, dopo una certa diminuzione,
presenta un anomalo aumento con un massimo a 550÷560°C noto come durezza secondaria.
Modalità di rinvenimento
Il riscaldamento viene effettuato a varie temperature sempre T<727°C.
T=160÷180°C 1° stadio, per acciai carbocementati: è una distensione, il cuore del
pezzo tenace la superficie dura; serve per eliminare le tensioni interne
della martensite.
T=200÷250°C Per cuscinetti e utensili a freddo (seghetti, pinze) è una distensione
ma con una resilienza un po’ più alta.
T=400÷450°C 3° stadio, per organi elastici (molle per sospensioni): si ottiene
perlite finissima non visibile al microscopio ottico.
T=540÷560°C 5° stadio, solo per acciai per utensili rapidi: inizialmente perdiamo
durezza riscaldando, ma poi raggiungiamo il picco di durezza
secondaria.
T=600÷650°C 4° stadio, per acciai da bonifica e per utensili a caldo (stampo per
forgia): si ottiene un’alta tenacità.
Il tempo si attesta su 1÷2 h/inch: è un trattamento lungo a temperatura bassa in modo da non avere decarburazione,
poi si raffredda in aria.
Nel caso si formino cricche dopo tempra e rinvenimento sono da attribuire solamente ad una tempra male eseguita e
non al rinvenimento, anche se è dopo quest’ultimo che compaiono.
Trattamenti Isotermici
Sono i migliori trattamenti.
Porto l’acciaio sopra alla temperatura A3 (austenizzazione) e sottoraffreddo rapidamente sotto la temperatura A1,
arrestando poi il processo alla temperatura desiderata.
La trasformazione dell’austenite avviene in modo isotermico senza passare attraverso la trasformazione in martensite,
cosicché le proprietà acquisite sono uniformi in tutto il pezzo, che risulta oltretutto non distorto né tensionato.
Richiedono un’ottima conoscenza delle curve TTT.
I trattamenti isotermici sono:
Ricottura isotermica: ottengo una perlite grossolana, perfetta omogeneità della struttura che risulta molto
lavorabile e senza tensioni interne;
Patentamento: ottengo una perlite finissima, viene usato nelle vergelle che, per trafilatura, producono fili
metallici: il diametro deve poter passare da 5,5 mm a 0,8 mm in una passata unica;
Austempering (o tempra bainitica): ottengo bainite;
Martempering: non è un vero e proprio trattamento isotermico, per evitare elevati gradienti di temperature
tra la superficie ed il cuore di pezzi grandi si sottoraffredda in un bagno termale e si aspetta il livellamento delle
due temperature, poi si raffredda in aria; serve per livellare la temperatura.
Trattamenti Superficiali
Si tratta di trattamenti di indurimento superficiali dei pezzi. Posso realizzarsi con:
Tempra ad induzione;
Nitrurazione;
Carbocementazione.
Tempra ad induzione
È usata ad esempio per alberi motori per temprare solo le zone interessate come gli appoggi dell’albero che devono
possedere una durezza superficiale per resistere all’usura e tenacità interne per un buon comportamento a fatica.
La tempra ad induzione è più economica rispetto ad altri trattamenti di indurimento superficiale come
carbocementazione o nitrurazione.
Per effettuarla si introduce il pezzo in un solenoide percorso da corrente alternata, lo spessore s è quello interessato dal
riscaldamento:
spessore interessato dalla tempra in mm
resistività elettrica
permeabilità elettrica
frequenza corrente
termine propagazione (diffusione termica) dipendente dal tempo, trascurabile se t è piccolo
Questa tempra si basa sul cosiddetto effetto pelle della corrente: alta energia, brevissimo tempo (pochi secondi);
appena finito si effettua un raffreddamento immediato in aria, acqua o olio.
Può essere eseguita a 160°C, gli acciai più adatti sono quelli al carbonio C (privi o poveri di carburi complessi), tenaci per
composizione (C=0,35÷0,45%C) che hanno subito TT (come bonifica ), dato che la struttura sorbitica formatasi con la
bonifica si presta meglio ad una rapida dissoluzione dei carburi.
Il vantaggio di questa tempra è che non deforma il pezzo e può essere eseguita su pezzi già finiti.
Il contro è che può essere trattato un solo pezzo per volta.
Nitrurazione
Consiste in un arricchimento di azoto N in un acciaio e da caratteristiche elevate di durezza ma non tenacità. Si effettua
localizzato per indurire il pezzo solamente dove serve.
Per questo processo ci si rifà al diagramma di stato ferro – azoto: l’azoto allarga il campo di esistenza dell’austenite; a
590°C abbiamo l’eutectoide, questa è la temperatura massima che possiamo raggiungere altrimenti si formano dei nitruri
sfavorevoli, Fe2N, molto più fragili rispetto a quelli favorevoli, Fe4N.
La temperatura quindi di nitrurazione si attesta sul valore T=530÷550°C.
La nitrurazione si effettua mettendo il pezzo in un’atmosfera ricca di azoto monoatomico, ricavato dall’ammoniaca
secondo il processo chimico:
Dato che l’idrogeno si trova in forma molecolare non crea problemi, anzi crea un’atmosfera protetta contro l’ossidazione.
Sulla superficie del pezzo si forma Fe4N, un nitruro fragilissimo, la cosiddetta coltre bianca, che poi dovrà essere
eliminata; sugli strati sottostanti invece si forma Fe2N, il composto che indurisce la superficie.
A circa 530°C il 70% dell’ammoniaca si dissocia (all’aumentare della temperatura aumenta anche la dissociazione); molte
volte il processo si effettua in due tappe:
insufflazione attiva: viene insufflata ammoniaca per ottenere azoto monoatomico;
ricircolo: si mantengono i gas in circolo attorno al pezzo, quindi si mantiene l’atmosfera ricca di azoto, in modo
da facilitare la diffusione dell’azoto negli strati del metallo.
L’acciaio deve essere ben temprabile quindi tenace: vengono usati acciai da bonifica che contengono cromo Cr e
molibdeno Mo (quest’ultimo viene aggiunto per ovviare alla malattia di Kroop). Anche alcuni allumini con titanio Ti
vengono sottoposti a questo processo raggiungendo durezze superficiali di 1200 Vickers.
Viene usato per organi che strisciano senza eccessiva pressione altrimenti lo strato nitrurato cederebbe: ad
esempio negli alberi a camme, la camma viene nitrurata dato che è soggetta alla sola pressione della molla.
Carbocementazione
Serve per arricchire e indurire un organo preservando la tenacità.
Non abbiamo la limitazione della temperatura come con la nitrurazione ed anche è un trattamento più rapido e più
profondo rispetto alla precedente.
La temperatura si attesta sul valore T=875÷950°C.
La forza motrice di questi trattamenti è la differenza di concentrazione dell’elemento rispetto all’acciaio che per quanto
riguarda la nitrurazione è elevata, data la bassissima percentuale di azoto negli acciai, mentre per quanto riguarda la
carbocementazione è bassa data l’importante presenza di carbonio negli acciai.
Servono quindi acciai a basso tenore di carbonio, max lo 0,20%C, detti appunto acciai da carbocementazione: dato il
basso tenore di carbonio la tenacità di questi acciai non è elevata.
Lo strato superficiale si arricchisce di carbonio fino allo 0,8÷0,9% fino ad uno spessore di circa 2mm e raggiunge una
durezza superficiale di 750÷850 HV.
Può anche essere effettuato in ambiente:
Solido: tempi più lunghi e nessuna garanzia di uniformità dello spessore, viene usato per pochi pezzi; si usa
una polvere di carbone di legna, carbonato di bario o sodio e carbonato di calcio che a 900÷950°C sviluppa CO.
Ha il vantaggio di essere un processo economico, ma di contro ha una lunga durata, ossida e distorce il pezzo,
ingrossa la grana ed è difficile da governare come processo.
Liquido: si usano bagni di sali fusi (cloruri, carbonati, cianuri) a 870÷900°C, è molto più lento e meno attivo
degli altri due processi. Si realizza uno strato uniforme e i pezzi possono essere temprati subito dopo il bagno; i
fumi emessi sono molto tossici.
Gassoso: Il carbonio viene ricavato dal monossido di carbonio CO partendo dal metano CH4 a 900÷950°C
secondo le relazioni
combustione completa esotermica
combustione endotermica
Per avere l’energia per ricavare il CO dalla seconda reazione (endotermica) realizziamo anche una parte della prima
reazione (esotermica). Il CO2 e l’H2O (vapore) possono creare problemi condensando quindi i forni in cui si eseguono
questi processi sono automatizzati per il controllo della temperatura affinché non ci sia condensa prima di aver eliminato
i gas. Gli inconveniente sono l’ingrossamento della grana e l’elevato costo, mentre i vantaggi sono la breve durata,
rispetto alla solida, l’uniformità dello strato e il perfetto controllo tramite forni automatizzati.
Dopo la carbocementazione i pezzi vanno temprati per valorizzarne la durezza e rinvenuti per affinare la grana e
garantire un minimo di tenacità alla superficie.
La tempra dipende dall’acciaio e dagli elementi leganti contenuti: il metodo migliore di tempra sarebbe la doppia tempra
per rinforzare il cuore e lo strato cementato, ma è costosa.
Gli acciai da carbocementazione sono i più numerosi: si và dal C10 al 16NiCrMo12, il Mo non viene inserito per ovviare
alla malattia di Kroop perché non si rientra in quel range di temperatura ma è usato per avere carburi tondi, il cromo da
temprabilità, il nichel tenacità.
Dopo tempra e rinvenimento non possiamo usare il pezzo perché è deformato: bisogna rettificare le superfici
carbocementate, quindi prima del trattamento bisogna aver lasciato del sovrametallo.
Carbonitrurazione
Consiste nel combinare i due processi: impiegare in un forno chiuso un’atmosfera uguale a quella della
carbocementazione gassosa aggiungendoci ammoniaca dissociata. Le temperature oscillano da T=650÷870°C a
seconda che si vogliano avvicinare i risultati più alla nitrurazione o alla carbocementazione.
Segue una tempra ed una distensione.
Classificazione degli Acciai
Vengono classificati a seconda dell’impiego ed ogni classificazione ha le sue diverse tipologie. Abbiamo acciai:
Da costruzione di uso generale
Da costruzione speciali
Inox
Per utensili
Per impieghi speciali
Acciai per uso generale
di base
di qualità
da bonifica
autotempranti
per tempra superficiale
da nitrurazione
da carbocementazione
per organi elastici
per cuscinetti
martensitici
ferritici
austenitici
duplex
a freddo
a caldo
rapido
per funi
per impieghi elettromagnetici
non truciolabili
per criogenia
Non sono destinati a trattamenti termici ma all’uso grezzo dopo laminazione a caldo (raramente normalizzati). Vengono
fabbricati con alcune precauzioni per soddisfare determinati impieghi. Sono gli acciai più usati, quantitativamente, ed
hanno una loro designazione; in realtà esistono due designazioni, una numerica prettamente mnemonica che non
tratteremo ed una alfanumerica (UNI EU 10027/1):
- Simbolo iniziale: riferito all’impiego: S impieghi strutturali, E costruzioni meccaniche, altre sei lettere vengono
utilizzate che non citeremo;
- Caratteristica principale:viene indicata la tensione minima di snervamento garantita (le prove non sono mai
inferiori al valore riportato).
Esempio:
è un acciaio per uso generale per impieghi strutturali con una tensione di snervamento pari a 235;
alla sua destra si trova la vecchia designazione che riportava la tensione di rottura. Molto più importante per noi è la
tensione di snervamento in quanto durante l’impiego non deve essere mai sorpassato tale valore.
Questi tipi di acciai devono resistere a sforzi statici (non variabili né impulsivi) e sono usati per carpenteria civile e
navale. Sono acciai al solo carbonio che devono avere buona resistenza meccanica e saldabilità: il problema è che
queste due proprietà sono antagoniste.
Si dividono in:
Acciai di base: durante la fabbricazione non sono soggetti ad attenzioni particolari, non hanno elementi di
lega (in percentuali importanti) e non subiscono trattamenti termici;
Acciai di qualità: non sono destinati a trattamenti termici e non richiedono prescrizioni di composizione o di
grado inclusionale, ma devono avere alcuni requisiti: idoneità alla saldatura, resistenza alla frattura
fragile, insensibilità all’invecchiamento . Durante la loro fabbricazione vengono usate delle precauzioni;
possono contenere micro quantità di altri elementi.
Acciai speciali
Questi acciai sopportano sollecitazioni impulsive e cicliche (resistenza a fatica) e sono usati per pale di turbina
idrauliche, a vapore (max 560°C).
Derivano da rottami che vengono poi calmati con silicio e alluminio.
Sono sottoposti a trattamenti termici intermedi (ricottura, normalizzazione) e finali (tempra + rinvenimento).
Si suddividono in due sottogruppi:
Non legati (El<5%): contengono solo carbonio e si indicano con una lettera, la C di carbonio, più un numero,
la concentrazione di carbonio per 100. devono avere composizione e grado inclusionale ben delimitati, ciò li
rende adatti a subire trattamenti termici TT:
acciaio speciale non legato al carbonio con 0,4% di C
Legati (El≥5%): si suddividono a loro volta in due gruppi:
Bassolegati: nessun elemento di lega raggiunge il 5% di concentrazione; si designano con la percentuale
di carbonio per 100 + in successione i simboli chimici degli elementi in lega in ordine decrescente (se con la
stessa quantità si segue l’ordine alfabetico) + la concentrazione dell’elemento di lega maggiormente presente
moltiplicata per 4:
acciaio con 0,4%C, 1%Cr, Mo
Altolegati: almeno un elemento eguaglia o supera la concentrazione del 5%. Si indicano con la lettera X
+ %C per 100 + i simboli chimici degli elementi presenti nella lega in ordine di quantità + la percentuale degli
elementi:
acciaio inox austenitico (pentole, posate) con 0,05%C, 18%Cr, 10%Ni
acciaio inox per utensili (lamette, bisturi, cuscinetti) con 1,05%C, 17%Cr
Questa designazione penso valga per tutti i tipi di acciai tranne i sopra citati acciai per uso generale e gli acciai rapidi
(utensili).
Acciai per utensili – Acciai Rapidi
Hanno una designazione diversa: HS (High speed Steel) + 4 numeri. Non viene indicato il carbonio perché è
pressoché lo stesso ed anche il cromo contenuto ugualmente in percentuale del 4%. Con i numeri viene indicata la
presenza di W, Mo, V, Co:
acciaio di Taylor con 18% W e 1% V
È preferibile al tungsteno W l’utilizzo del molibdeno Mo in quanto pesa la metà ed ha il doppio di resa, abbassando il
costo quindi di 4 volte.
Designazioni Americane
Acciai da costruzione: 4 numeri di cui le prime due cifre casuali e le seconde due indicano la percentuale di carbonio
moltiplicata per 100:
Acciai inossidabili: denominazione AISI, hanno tre classi la 200, 300, 400:
sono valori da memorizzare, acciai austenitici cromo-nichel usati per cucchiai e
forchette
acciai martensitici e ferritici al cromo, usati per pale per turbina, coltelleria
Utilizzi degli Acciai
Acciai da bonifica
Rientrano nella categoria degli acciai speciali, quindi sono designati come riportato prima a seconda che siano non legati,
basso legati o alto legati.
Vengono distinti per temprabilità:
Tipo
Φtempra [mm]
Olio
C40
Acqua
25
40CrMo4
80
110
40NiCrMo7
150
rottura pezzo
34NiCrMo16
tutto
L’ultimo acciaio elencato è il migliore da bonifica agli effetti della temprabilità: si tempra fino al 50% di martensite fino al
cuore, qualsiasi sia lo spessore del pezzo; è un acciaio molto costoso.
Gli acciai da bonifica devono avere massima tenacità statica e alta la tenacità dinamica. Questo si ottiene con:
Tenore di carbonio;
Temperatura di rinvenimento.
La resistenza è determinata dal tenore di carbonio: C<0,40% abbiamo un migliore allungamento percentuale, C>0,40%
maggiore resistenza. Il massimo lo otteniamo con lo 0,40% di C e un rinvenimento a 620°C, ma non tutti gli acciai
hanno questa percentuale di carbonio: la scelta viene effettuata dal progettista in base alle caratteristiche necessarie,
utilizzando delle apposite tabelle.
Acciai per Molle
Ci sono vari tipi di molle: elicoidali, a balestra, a barra di torsione.
Le molle lavorano solo in campo elastico, quindi voglio:
Cioè il rapporto tra la tensione di snervamento e quella di rottura all’incirca uguale a 1: i valori che si riescono a
raggiungere veramente sono quelli indicati tra parentesi.
Inoltre la molla è soggetta a carichi ciclici quindi deve avere un ottimo comportamento a fatica: necessito quindi di una
struttura uniforme, senza austenite residua; a questi acciai viene fatta una tempra + rinvenimento quindi serve un
acciaio molto temprabile.
Quelli utilizzati sono:
Acciai al solo carbonio: C55, 60, 67, 75, 85, 100, non vengono temprati e per eliminare l’incrudimento
dovuto alla lavorazione si effettua un trattamento isotermico di patentamento, per ottenere una grana fine e
omogenea. In alcune applicazioni si effettua tempra + rinvenimento;
Acciai bassolegati: 48Si7 ÷ 51CrMoV4, quest’ultimo è usato anche per utensili dato che il cromo aumenta la
temprabilità, il vanadio affina la grana, il nichel aumenta la tenacità, nel primo invece il silicio rinforza la
struttura. Questi acciai sono l’unica categoria che subisce un trattamento termico di tempra (Ac3+T) +
rinvenimento al 3° stadio (400÷450°C).
È importante che non ci sia decarburazione altrimenti viene pregiudicato il comportamento a fatica. Per ovviare a questo
rettifico dopo aver fatto l’organo elastico e uso un forno ad atmosfera protetta (usato soprattutto per pezzi difficili
da rettificare).
Acciai per cuscinetti a rotolamento
I cuscinetti servono per trasformare un attrito radente in attrito volvente (cuscinetti a rotolamento); ci sono anche
cuscinetti a strisciamento (bronzine) che qui non tratteremo.
Sono composti di 4 elementi:
anello interno con pista di rotolamento;
anello esterno che contiene la pista di rotolamento;
corona di elementi che ruotano (sfere o rulli) tra i due anelli ;
gabbia distanziatrice che tiene separate le sfere.
Il carico può essere solo radiale non assiale (ci vogliono altri tipi di cuscinetti).
La durezza degli organi deve essere la stessa altrimenti uno cede e devono aversi solo deformazioni elastiche:
si ottiene con tempra + rinvenimento a bassa temperatura.
Dato che è un organo rotante è soggetto a carichi ciclici, quindi per resistere a fatica necessita di una struttura
uniforme e massima temprabilità.
Un altro problema è dovuto alle infiltrazioni di polvere (silicati durassi, più della martensite, ma fragili) e per ovviare a
questo la struttura del cuscinetto prevede dei carburi che frantumano la polvere.
L’attrito volvente dissipa energia sotto forma di calore che potrebbe provocare il rinvenimento della martensite e
l’indebolimento della struttura: si riduce quindi l’attrito impiegando lubrificante semisolido (grasso) che, aderendo
alle superfici, oltre a diminuire l’attrito tiene separate le varie parti che compongono il cuscinetto evitando così contatti
che potrebbero portare a legami degli atomi superficiali ed al conseguente grippaggio del cuscinetto.
L’acciaio usato è un acciaio ipereutectoidico (1%C al posto dello 0,8%) come il 100Cr6 che contiene 1%C e 1,5%Cr.
La produzione avviene in varie fasi:
727°C
si parte da una barra tonda laminata;
questa barra viene affettata in senso radiale;
stampaggio a caldo o a freddo (quest’ultimo per piccoli cuscinetti) per ottenere dalla “fetta” quattro corone:
una per anello esterno, una per i cuscinetti, una per anello interno, una di scarto;
i componenti rimangono uniti e formeranno il cuscinetto finale (dato che devono avere uguali
caratteristiche le corone e gli elementi rotanti affinché una parte non consumi l’altra);
ricottura di globulizzazione, con pendolo sopra e sotto la temperatura A1 per ottenere pochi carburi ma
grossi ed il massimo addolcimento;
lavorazione alle macchine utensili: la corona intermedia viene tagliata a cubetti e questi arrotondati per
formare le sfere;
trattamenti termici:
Si deve riscaldare ad una temperatura T compresa tra A1<T<Acn, che equivale a circa 850°C, dato che se entro in
campo austenitico perdo carburi, utili per eliminare le polveri, e potrebbe inoltre rimanere dell’austenite residua non
eliminabile dato il rinvenimento a bassa temperatura. La tempra avviene quindi a questa temperatura con
raffreddamento in olio. Segue poi un rinvenimento a circa 220°C (il cromo dà stabilità al rinvenimento) per
attenuare la fragilità della martensite;
segue una lavorazione finale di rettifica a misura con tolleranze ridottissime;
per assemblare il tutto si sfrutta la differenza di dilatazione termica portando la corona esterna a circa
150°C (dilatazione) e la gabbia con le sfere + la corona interna a circa -50°C (contrazione), riportando il tutto a
temperatura ambiente risulta saldamente unito.
Per cuscinetti in acciaio inox uso l’acciaio 105Cr17, con un maggiore quantitativo di cromo quindi.
Acciai per utensili
L’utensile è un oggetto che serve per dare la forma ai materiali quindi deve essere duro (caratteristica fondamentale).
Abbiamo vari tipi di utensili:
Utensili per asportazione di truciolo;
Stampi;
Stampaggio ad iniezione.
Le caratteristiche di un utensile sono:
Durezza, resistenza all’usura e all’ingrossamento del grano favorite dalla presenza di elementi che
formino carburi come Cr, Mo, W e V;
Tenacità;
Resistenza agli shock termici favorita da una buona conducibilità termica legata al basso tenore di elementi
in lega;
Attitudine al taglio legata alla durezza, alla tenacità ed alla grana;
Lavorabilità per asportazione di truciolo quando si debba formare l’utensile.
Devono anche essere tenaci per resistere ad eventuali momenti indotti da deformazione (soprattutto per gli stampi a
freddo).
Durezza e tenacità sono però antagoniste: all’aumentare dell’una diminuisce l’altra, quindi per ottenere l’utensile voluto
bisogna porre attenzione in produzione; se la durezza è minore del voluto l’utensile si usura più velocemente mentre se
la tenacità è minore si rompe: è quindi sempre meglio privilegiare la tenacità rispetto alla durezza.
La normativa li classifica in 3 classi:
Acciai Rapidi : per utensili per asportazione di truciolo, sono i più costosi in assoluto tra tutti gli acciai:
Questi sono gli acciai per utensili rapidi più usati (soprattutto gli ultimi tre, il primo è quello di Taylor che ha soprattutto
valore storico) con le rispettive designazioni americane AISI (T indica tungsteno, M indica Molibdeno); tutti contengono
elementi nelle percentuali 0,78÷1,13%C e 4%Cr e raggiungono durezza Rockwell dell’ordine HRc≈65÷66;
Acciai per Lavorazione a Caldo: per stampi per stampaggio a caldo (800÷1000°C), hanno tenore di
carbonio basso 0,25÷0,6%C e nichel per aumentare la tenacità, altri elementi come W, Mo, Cr per elevare la
durezza, V perla resistenza al surriscaldamento, Si per aumentare la resistenza all’ossidazione; i trattamenti
termici effettuati sono una tempra (in olio o aria, sono autotempranti) + rinvenimento circa 700°C (temperatura
rinvenimento più alta di quella d’esercizio);
Acciai per Lavorazione a Freddo: per utensili poveri (martello) o per coniatura. Hanno elevata durezza data
da un tenore elevato di carbonio C≤2,3% che si conserva fino a temperature non superiori a 200°C; si usano
acciai al solo carbonio e basso-alto legati:
Quelli al solo carbonio e bassolegati si effettua tempra (in acqua) + rinvenimento al 1° stadio (bassa temperatura); quelli
altolegati tempra (in olio) + rinvenimento alla temperatura di 550°C per sfruttare la durezza secondaria.
Data la durezza di queste leghe e la presenza di carbonio ed altri elementi , i trattamenti termici richiedono particolari
attenzioni:
Ricottura di globulizzazione: per ottenere il massimo addolcimento;
Elevate T di austenizzazione con vari riscaldamenti intermedi per evitare gradienti di temperatura fino anche
a 1290°C in atmosfera protettiva per evitare la decarburazione. L’ingrossamento della grana dovuto alle alte
temperature è impedito dai carburi di vanadio;
Controllo del tempo di permanenza data l’elevata temperatura per evitare il surriscaldamento;
Raffreddamento eseguito con azoto o in bagni di sali (cloruro di bario) anche lento dato che questi acciai
sono autotempranti;
Rinvenimento ad una T≈550°C per favorire la durezza secondaria, per eliminare l’austenite residua
(dopo tempra) e per diminuire la fragilità della martensite. Vengono effettuati fino a 4 rinvenimenti in
modo da trasformare tutta l’austenite residua in martensite.
Acciaio Inossidabile
Detti anche acciaio inox sono acciai che contengono almeno il 12% di Cr necessario per la passivazione. A seconda
della microstruttura vengono classificati in ferritici, austenitici, martensitici e duplex.
Esiste un diagramma di esistenza di queste strutture detto diagramma di Sheffler (qui riprodotto schematicamente)
ottenuto con bruschi raffreddamenti:
Nella scelta degli acciai inossidabili vengono scelte strutture monobasiche per evitare la formazione di micropile
(problema particolarmente importante tra austenitici e martensitici). Gli unici acciai bifase sono i duplex, che a
caratteristiche meccaniche e chimiche elevate contrappongono costi elevati.
Martensitici
Hanno un tenore di cromo compreso tra 12÷17%, non hanno nichel. Gli acciai utilizzati sono:
Vengono impiegati allo stato bonificato per applicazioni soggette a momento torcente come gli assi delle turbine
idrauliche e a vapore e le pale delle turbine.
Vengono temprati a temperatura più elevata del necessario per accelerare la soluzione dei carburi di cromo quindi a
circa 1000°C (sono autotempranti, si temprano da soli in aria dato il tenore di cromo) e quindi rinvenuti a T<420°C
(acciai per utensili tipo coltelli) o a T>620°C (acciai per momenti torcenti e da bonifica). Si evita l’intervallo di
temperatura di 570°C per ovviare alla fragilità al rinvenimento o malattia di Kroop.
Ferritici
Hanno un tenore di cromo compreso tra 11,5÷27% e basso contenuto di carbonio (C<0,10%). L’acciaio più utilizzato
è:
Data la minore presenza di carbonio non è temprabile. Data la sua buona plasticità viene usato per monete,
posateria, vasellame (poco costosi), elettrofili con lavorazione plastica a freddo: questo provoca un incrudimento
eliminato con una ricottura di ricristallizzazione a 820°C e raffreddato in acqua.
Ha minore resistenza alla corrosione rispetto agli austenitici ma costa meno, è poco soggetto alla tensiocorrosione ed alla
corrosione intercristallina. Alle alte temperature va bene fino a max 800°C poi i grani si ingrossano; a basse temperature
è assolutamente da evitare.
Come si può notare da questo grafico, gli acciai inox martensitici perdono le loro caratteristiche di resilienza a -50°C
mentre i ferritici a 0°C, rendendoli quindi assolutamente inadeguati per impieghi a basse temperature.
Austenitici
Hanno caratteristiche eccezionali ma anche grossi difetti. Rappresentano il 60% della produzione totale di acciai
inossidabili.
L’acciaio più conosciuto di questa classe è il:
Che da solo rappresenta un terzo della produzione di acciai inox austenitici; contiene 18÷20%Cr, 8÷10,5%Ni e
C<0,06% (relegato quindi al ruolo di impurezza).
Analizziamo ora pregi e difetti di questo acciaio:
Difetti
Saldabilità : l’elevata presenza percentuale di cromo e la presenza di carbonio porta ad alti valori del carbonio
equivalente e quindi a bassa saldabilità della lega; per ovviare a questo si usano leghe leggermente modificate
in cui viene diminuito il tenore di carbonio come la:
Quindi usiamo leghe in cui il carbonio non eccede lo 0,03%;
Pitting: corrosione dovuta allo ione cloruro che forma un pit (o foro) sulla superficie, blocca il processo di
passivazione (insinuandosi all’interno del foro non permette l’arrivo di ossigeno) e la conseguente fessurazione
della struttura (ferritici e martensitici non ne sono soggetti in maniera rilevante). Per risolvere stabiliamo un
parametro che indichi la resistenza al pitting:
Molibdeno e azoto offrono maggiore resistenza al pitting (come si vede dalla formula) ma l’azoto indurisce troppo
l’acciaio; usiamo tenori di molibdeno nell’ordine del 2÷3% come nell’acciaio inox austenitico:
Nella versione normale e saldabile. Dato che il molibdeno è un elemento α-geno mettiamo leggermente meno cromo per
stare nella punta del diagramma di Sheffler.
Lega non truciolabile: è la lega meno truciolabili in assoluto tra i materiali metallici dato che la truciolabilità è
inversamente proporzionale alla durezza. Sotto l’effetto dell’utensile l’austenite si trasforma in martensite
(tenso-indotta) e porta ad una usura dell’utensile. Per ovviare a questo si inserisce nella matrice una fase non
metallica: solfuri di ferro e manganese, ottenendo l’acciaio:
Che contiene lo 0,35%S al posto del normale 0,035% quindi 10 volte di più.
Non resiste alla tenso-corrosione: sottoposto a trazione (solamente a trazione, a compressione non
succede nulla) si screpola esponendo zone non passivate alla corrosione. Non sono soggetti gli acciai ferritici.
Pregi
Fortemente incrudibili: inizialmente l’acciaio è molto plastico (ottimo per imbutitura ad esempio) ed ha
caratteristiche meccaniche modeste ma sottoposto a deformazione plastica a freddo incrudisce
raggiungendo ottimi valori di tensione di snervamento (fino a 2000÷2200 Mpa) e di rottura (fino a
2500 MPa). Se avessi aggiunto carbonio per aumentare le tensioni massime durante la lavorazione avremmo
avuto la trasformazione dell’austenite in martensite.
Basse Temperature: ha un ottimo comportamento, non ne risente fino anche a -200°C (usato per contenitori
per azoto liquido, aria liquida, ossigeno).
Alte Temperature: ha un ottimo comportamento, viene definito anche acciaio resistente al calore dato
che lo strato passivato resiste; si comporta bene fino a 900°C con punte di 1100°C, ma ne esiste un versione
che resiste fino a 1050÷1100°C con punte di 1200÷1250°C:
Che contiene il 25%Cr, 20%Ni, 0,15÷0,18%C, molto costoso però. Migliori di questo ci sono solo le leghe per alte
temperature. Non c’è corrosione perché a 1000°C non ci sono elettroliti a umido.
Elementi alfageni: in ordine sono silicio, cromo, molibdeno, tungsteno, vanadio.
Elementi gammageni: in ordine sono carbonio, azoto (ambedue interstiziali), manganese, nichel (ambedue
sostituzionali).
Fragilità al rosso: la presenza di zolfo ai giunti dei cristalli provoca, durante la fucinatura o la laminazione a 950÷1150°C,
la scollatura dei grani e la spaccatura dei blumi o dei lingotti d’acciaio.
Fiocchi: discontinuità discoidale biancastra.
Ac1≡Ac3: queste temperature coincidono solo in presenza di acciaio eutectoidico, cioè allo 0,8% di C.
Effetto di Massa: il rinvenimento risente delle dimensioni del pezzo a parità di temperatura; i pezzi piccoli acquistano una
resistenza più elevata e duttilità inferiore di quelli grandi.
Malattia di Kroop: è molto importante ricordarsi questo intervallo di temperature rinvenendo acciai legati con i citati
elementi, in quanto possono rompersi molto facilmente in esercizio.
Bonifica: trattamento di tempra e rinvenimento di un acciaio.
Sorbite: struttura che si forma dopo il rinvenimento caratterizzata da una elevata resistenza meccanica ed una tenacità
accettabile. È una struttura derivante dal rinvenimento della martensite (metastabile a temperatura ambiente); è un
aggregato non lamellare di ferrite e cementite.
Endotermica: necessita di energia per realizzarsi; Endotermica: cede energia nel processo.
Insensibilità all’invecchiamento: alcuni acciai variano nel tempo le caratteristiche meccaniche, perdendo tenacità, per un
fenomeno diffusivo dovuto all’azoto.
Bonifica: trattamento di tempra + rinvenimento a 620°C.
Grippaggio: rottura di un cuscinetto; in un cuscinetto, per mancanza del di stanziamento indotto dal lubrificante ad
esempio, gli atomi di una superficie, come ad esempio la corona esterna, potrebbero legarsi a quelli di un’altra, ad
esempio dell’elemento ruotante, formando un legame che, dalle forze di rotazione, verrebbe spezzato ma questa rottura
avverrebbe non sulla direttrice di collegamento ma internamente ad una delle due superfici, rovinando così le superfici
stesse e la possibilità di scorrimento, il che provocherebbe aumenti di temperatura dovuti al maggiore attrito e
grippaggio del cuscinetto.
Conducibilità termica: ricordiamo che una lega ha peggiore conducibilità di un metallo puro dovuta alle distorsioni al
reticolo indotte dagli elementi presenti.
Acciai rapidi: ricordiamo la loro designazione data dalla sigla HS + le percentuali di W, Mo, V, Co.
Saldabilità: ricordiamo che per definire la saldabilità di una lega ci si riferisce al carbonio equivalente dato che elevati
tenori di carbonio e di altri elementi portano, durante la saldatura, alla trasformazione della struttura in martensite,
risultando quindi fragile.
PROPRIETA’ CHIMICHE.
Resistenza alla corrosione: è la tendenza del materiale a resistere all’aggressione da parte degli agenti esterni. La
corrosione può essere definita come il processo, in base al quale un materiale metallico tende a degradarsi. Questo tipo
di attacco, nei materiali metallici, si sviluppa nei seguenti modi: ad umido o a secco. La corrosione ad umido, avviene
quando un materiale si trova a contatto con un ambiente contenente acqua; a secco quando l’ambiente aggressivo è
costituito da atmosfere gassose (non di origine acquosa) ad alta temperatura. La corrosione a secco si sviluppa, con una
velocità apprezzabile, solo ad alte temperature; per tal motivo viene anche definita corrosione a caldo. Quando il
materiale, reagisce con l’ossigeno, il processo corrosivo viene chiamato ossidazione. PROPRIETA’ STRUTTURALI. Le
principali strutture, tipiche dei materiali metallici “puri”, sono le seguenti : CCC, CFC, EC. Tali strutture, chiamate celle
elementari, possono essere schematizzate mediante dei modelli a sfere rigide ( Reticoli di Bravais1.) Esse si differenziano
per il numero di atomi e per la collocazione di questi ultimi nello spazio tridimensionale. CCC: cella Cubica a Corpo
Centrato. Possiede 8 atomi, uno per ogni vertice del cubo ed uno disposto al centro di esso (nella mezzeria della
diagonale). Materiali come il Ferro2, Vanadio, Cromo, Molibdeno e Tungsteno, possiedono questo tipo di struttura. CFC:
cella Cubica a Facce Centrate. Possiede 14 atomi: 1 per ogni vertice del cubo (8 in totale) ed 1 disposto al centro di ogni
singola faccia (6 in totale). La cella CFC è tipica dei seguenti materiali: Nichel, Rame, Alluminio, Argento, Platino, Oro,
Piombo. EC: cella Esagonale Compatta.
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