Scienza dei metalli: esplorazione degli elementi e delle loro proprietà

di Matteo Puzzle

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Elementi di scienza dei metalli

di Matteo Puzzle – matematicare@hotmail.com

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Sito 1

“Elementi di scienza dei metalli” di Matteo Puzzle – matematicare@hotmail.com

Indice

Parte I: generalità sugli acciai .......................................................................................3

Gli acciai...........................................................................................................................3

Acciai inossidabili martensitici ......................................................................................4

Acciai inossidabili ferritici ..............................................................................................5

Acciai inossidabili austenitici.........................................................................................6

Precipitazione dei carburi di cromo in acciaio inox...........................................................8

L’ossidazione dei metalli e delle leghe .............................................................................9

Parte II: prova di trazione.............................................................................................10

La trazione ....................................................................................................................10

....................................................................................................11

Modulo di elasticità.

Carico di snervamento................................................................................................11

.........................................................................................................11

Carico di rottura. .........................................................................................11

Allungamento percentuale.

.................................................................................................11

Strizione percentuale.

Caso di una lega di alluminio .........................................................................................12

......................................................12

Il diagramma sperimentale carico - deformazione

.........................................................................................................13

Il campo elastico ........................................................................14

Calcolo teorico del modulo elastico E

.........................................................................................................15

Il campo plastico

Parte III: la ricristallizzazione.......................................................................................17

Energia immagazzinata durante l’incrudimento..............................................................17

Fenomeni di riassetto .....................................................................................................18

Ricristallizzazione primaria.............................................................................................18

Crescita del grano ..........................................................................................................19

Fattori frenanti la crescita del grano ...............................................................................20

Ricristallizzazione secondaria o crescita anormale ........................................................20

Analisi di fenomeni microstrutturali durante il processo di ricristallizzazione statica del rame puro.......................................................................................................................21

Relazione di Hall – Petch ...............................................................................................27

Calcolo della dimensione media di un grano..................................................................28

Velocità di ricristallizzazione..........................................................................................29

Analisi micrografica ........................................................................................................30

Acciaio stabilizzato al niobio...........................................................................................35

Parte IV: il creep ...........................................................................................................38

Scorrimento viscoso – il creep .......................................................................................38

Caratteristiche e meccanismi del creep..........................................................................38

Prove di creep ................................................................................................................39

Metodi di calcolo ............................................................................................................40

Equazioni di Garofalo e Li ..............................................................................................40

Modellizzazione..............................................................................................................41

Analisi di una prova di creep ..........................................................................................44

Parte V: proprietà delle dislocazioni ..........................................................................46

La legge di Orowan ........................................................................................................46

Forza causata da una dislocazione e agente su una dislocazione vicina ......................49

L’equazione di Ludwick ..................................................................................................55

Parte VI: raggi di curvatura dei provini e sforzo reale...............................................56

Prova di trazione e stato di sforzo ..................................................................................56

La strizione plastica........................................................................................................58

Ricerca dei raggi di curvatura dei provini di acciaio sottoposti a trazione e portati a rottura.............................................................................................................................60

Appendice......................................................................................................................66

Bibliografia.................................................................................................................68

2

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Parte I: generalità sugli acciai

Gli acciai

I materiali metallici da costruzione, oltre che resistere alle sollecitazioni di tipo fisico (sollecitazioni meccaniche di vario tipo: trazione, torsione, flessione, fatica, pressione, usura) per le quali sono richiesti determinati requisiti, devono spesso anche presentare caratteristiche di resistenza al particolare ambiente in cui operano; devono cioè resistere alla corrosione, se l'ambiente è aggressivo, e alle alte temperature. Spesso nell’industria chimica si realizzano condizioni particolarmente severe per cui è necessario utilizzare materiali aventi proprietà e caratteristiche tali da resistere alle sollecitazioni chimiche e fisiche imposte.

Fra i materiali resistenti alla corrosione ed al calore, occupano un posto preminente gli acciai inossidabili, cioè quelle leghe Fe - Cr con tenori di cromo non inferiori al 12% e con aggiunte di altri elementi quali Ni, Mo, Ti, Ta, Nb, V.

Le prime applicazioni degli acciai inossidabili risalgono, in Germania, alla fine del 1912 da parte della Krupp. Secondo gli inglesi, invece, la priorità degli acciai inossidabili deve essere attribuita a Brearly, che nel 1913 realizzò a Sheffield la prima colata di acciaio inossidabile martensitico. Durante la prima guerra mondiale questi acciai vennero impiegati per la costruzione di camicie per bocche da fuoco e di valvole di scarico di motori a combustione interna.

La produzione di acciai inossidabili è in continuo aumento: essa è stata nel 1967, per i paesi occidentali e per il Giappone, di 3,5 milioni di tonnellate. Nel 1968, l'Italia, che si trovava al 6° posto tra i produttori dell'occidente, ha prodotto 225.000 tonnellate di lingotti di acciai inossidabili. L'ottima resistenza alla corrosione ed alle alte temperature è dovuta alla possibilità, in ambiente ossidante, di formazione sulla superficie di una tenace pellicola di ossido di dimensioni estremamente sottili, le cui caratteristiche cambiano notevolmente in funzione del trattamento termico, della composizione chimica della lega, dello stato superficiale, delle sollecitazioni cui il materiale è sottoposto e della composizione strutturale. Ed è appunto in base alla loro struttura che questi acciai vengono solitamente suddivisi in tre classi:

• Martensitici
• Ferritici
• Austenitici 3

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Acciai inossidabili martensitici

Gli acciai inossidabili martensitici contengono un tenore di cromo compreso tra il 12 e il 18% e carbonio in quantità solitamente maggiori dello 0,15% (0,30, 0,90%).

Con riferimento ai diagrammi strutturali, presentano i punti di trasformazione A₁ e A₂.

È pertanto possibile riscaldarli in intervalli di temperature nei quali la struttura sia prevalentemente o totalmente austenitica e successivamente, con un opportuno raffreddamento, trasformare l’austenite in martensite.

Le proprietà meccaniche a temperatura ambiente degli acciai inossidabili martensitici sono strettamente legate a trattamenti termici, previamente subiti dagli stessi, per cui è opportuno esaminare i diversi trattamenti termici cui vengono sottoposti.

a) Ricottura completa e ricottura di lavorabilità. Vengono effettuate per portare il materiale ad uno stato di maggiore addolcimento. Per la ricottura completa il pezzo viene riscaldato al di sopra della temperatura di A₃, mentre per la ricottura di lavorabilità il pezzo viene riscaldato ad una temperatura inferiore ai punti critici. Nella pratica comune, è sufficiente eseguire questo secondo tipo di ricottura per ottenere caratteristiche non molto diverse dall’altra e comunque soddisfacenti ai fini del raggiungimento di buone caratteristiche di lavorabilità.

b) Tempra. Dopo riscaldamento a 950/1050°C, anche per solubilizzare i carburi, il raffreddamento viene eseguito in olio per evitare la formazione di cricche cui sono suscettibili specialmente gli acciai ad elevato tenore di carbonio. In generale per pezzi a basso tenore di carbonio, incruditi per deformazione o con brusche variazioni di sezioni, e per pezzi a medio od elevato tenore di carbonio, si esegue un preriscaldamento ad opportuna temperatura prima di giungere a quella di tempra.

c) Rinvenimento. Permette di ottenere le migliori combinazioni tra caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione. La migliore resistenza a corrosione si ottiene con un trattamento termico a temperature non più elevate di 430°C, mentre le migliori caratteristiche di tenacità si ottengono con un rinvenimento tra 600 e 750°C. Nell'intervallo 430-570°C si ha il fenomeno della fragilità di rinvenimento.

d) Distensione. Si effettua a temperature inferiori a quelle di rinvenimento, per eliminare tensioni residue. L'intervallo di distensione è tra i 150-430°C. Vediamo ora alcuni classici acciai inossidabili martensitici.

Designazione, composizione e trattamenti termici

Designazione composizione % trattamenti termici

Tempra rinvenimento

UNI AISI C Mn Si Cr Ni °C °C

11,5

X 12 Cr 13 410 0,15 1 0,5 - 950 -1000 600 – 650

13,5

12 1 980 – 1000 600 – 650

X 30 Cr 13 420 0,35 1 1 14

15 2,5 980 - 1030 630 -680

X 16 CrNi 16 431 0,20 1 1 17

I valori dati per C, Mn, Si, Ni sono i valori massimi; inoltre sono da contenersi entro lo

N.B.: 0,03% per lo S e lo 0,04% per il P)

Caratteristiche meccaniche

Sigla AISI R Rs A K

medio minimo 5minimo minimo

2 2 2

Kg/mm Kg/mm % Kg/cm

410 80 50 13 4

420 85 55 12 -

431 90 60 13 3 4

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Acciai inossidabili ferritici

Questi acciai non presentano punti di trasformazione e non sono induribili col trattamento di tempra. La struttura ferritica è assicurata da un tenore di Cr che va dal 17% al 30% e da una bassa percentuale di carbonio, generalmente inferiore allo 0,15%, oltre che dall'aggiunta, a volte, di elementi quali ad esempio l'alluminio e il Molibdeno. L’inesistenza di punti di trasformazione negli acciai inossidabili ferritici ed il conseguente pericolo di ingrossamento del grano, fanno sì che il solo trattamento termico applicabile sia la ricottura. Se questa (di solito effettuata a 650-830°C) è preceduta da operazioni di deformazione plastica, che incrudiscono l'acciaio, è denominato trattamento di ricristallizzazione.

Designazione composizione %

E

UNI AISI C Mn Si Cr Ni altri elementi

16

X 8 Cr 17 430 0,12 1 1 -

18 Al = 0,10 – 0,30

11,5

X 6 CrAl 13 405 0,08 1 1 -

14,5 N = 0,25 max

23 -

X 16 Cr 26 446 0,20 1,5 1 27

I valori dati per C, Mn, Si, sono i valori massimi; inoltre sono da considerarsi entro

N.B.: 0,03% per lo S e entro lo 0,04% per il P; l’alluminio è aggiunto per attenuare l’ingrossamento dei grani.

Caratteristiche meccaniche

Sigla AISI R Rs A

medio minimo 5minimo

2 2

Kg/mm Kg/mm %

430 55 25 18

405 51 23 20

446 60 28 15

Per innalzare i valori di R e Rs, che sono bassi, si può operare l'incrudimento a freddo, però contemporaneamente si verifica una degradazione della resistenza alla corrosione.

La resilienza non viene presa in considerazione per l'impossibilità di stabilire valori minimi; se questa interessa conviene orientare la scelta verso un acciaio inossidabile austenitico. 5

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Acciai inossidabili austenitici

Tra gli acciai inossidabili, sono quelli che offrono la migliore resistenza alla corrosione.

Queste leghe Fe – Cr – Ni, con contenuto di Cr dal 16% al 26% e di Ni dal 7% al 25%, presentano una struttura austenitica, non esistendo per questi acciai punti di trasformazione a temperature superiori a quella ordinaria. Poiché la struttura di questi acciai allo stato solubilizzato non è stabile, essendo una soluzione soprasatura di carbonio, vi è la possibilità dell’instaurarsi della corrosione intergranulare, per il fenomeno di sensibilizzazione. Da ciò la necessità di limitare al massimo il contenuto di carbonio (intorno allo 0,03%) o di aggiungere elementi stabilizzanti quali Ti, Nb e Ta.

Un cenno meritano gli acciai inossidabili austenitici al Cr (16 – 19 %) - Mn (5,5 – 10%) - Ni (3,5 – 7%), nei quali il Mn è sostitutivo del Ni come elemento austenizzante, e gli acciai inossidabili indurenti per precipitazione (precipitation hardening), che sono essenzialmente leghe Fe – Cr - Ni con aggiunte di Ti, Al, Cu, Mo, che presentano dopo la precipitazione, ottime caratteristiche meccaniche abbinate a un’ottima resistenza alla corrosione.

Sia i valori di R che quelli R_s degli acciai inossidabili austenitici sono bassi, come per i ferritici, ma possono essere esaltati mediante lavorazioni a freddo, come mostra il diagramma in figura 1.1.

Interessante per questi acciai inossidabili è il trattamento di solubilizzazione: esso consiste nel riscaldare il pezzo ad una temperatura sufficientemente elevata (1000 – 1150 °C) per rimuovere le alterazioni strutturali dovute ai processi di fabbricazione, nel mantenere lo stesso a tale temperatura il tempo necessario a mandare in soluzione tutti i carburi e nel raffreddare con sufficiente velocità per avere a temperatura ambiente struttura austenitica, e per evitare la precipitazione dei carburi. Figura 1.1

Tre sono i fattori che si devono tenere presenti in tale operazione; la temperatura, la durata e la velocità di raffreddamento; dai primi due dipendono le dimensioni del grano austenitico, dal terzo la eventuale segregazione di carburi di cromo al contorno dei grani.

Gli acciai austenitici rimangono tenaci fino a temperature molto basse e pertanto sono impiegati negli impianti criogenici sino alla temperatura dell'elio liquido.

Gli acciai inossidabili austenitici resistono all’ossidazione alle alte temperature e mantengono, in tali condizioni, elevate caratteristiche meccaniche; pertanto essi vengono comunemente impiegati in tutte quelle applicazioni che richiedono materiali adatti a sopportare gravose condizioni operative ad elevate temperature. Un fattore da tener presente nella scelta degli acciai resistenti al calore è la loro sensibilità all’infragilimento.

Questo fenomeno, oltre che alla precipitazione dei carburi, è dovuto alla separazione del costituente denominato fase sigma. Questa fase molto fragile può formarsi sia da una struttura austenitica (per Cr elevato e per presenza di elementi che ne favoriscono la precipitazione), sia soprattutto da una struttura bifasica di austenite - ferrite.