Scienza dei metalli: esplorazione degli elementi e delle loro proprietà

di Matteo Puzzle

matematicare@hotmail.com

per il gruppo

http://it.groups.yahoo.com/group/softwarestrumentitecnologici/

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

L’autore è grato a chiunque voglia segnalare eventuali imprecisioni, riportate in

questo documento, inoltre sono graditi commenti, suggerimenti e giudizi critici.

Il presente documento può essere copiato, fotocopiato, riprodotto, a patto che non

venga altera l’integrità, la proprietà dell’autore e il contenuto stesso.

L’autore non potrà essere ritenuto responsabile per il contenuto e l'utilizzo del

presente documento, declinandone ogni responsabilità.

PROPRIETA’ Matteo Puzzle

VERSIONE FILE 1.0

DATA DI CREAZIONE 23 Settembre 2005

ESTENSIONE FILE .pdf

http://www.matematicamente.it/

SITO 1

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

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

Velocita’ 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: proprieta’ 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

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

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 e

alla corrosione, se l'ambiente é aggressivo, e alle alte temperature. Spesso nell’industria

chimica si realizzano condizioni particolarmente severe per cui é 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, ITb, 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 nei 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:

1) Martensitici

2) Ferritici

3) Austenitici 3

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

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 A e A .

1 2

E’ 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 é

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 A , mentre per la ricottura di

3

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,

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 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, eliminare

tensioni residue. L'intervallo di distensione é tra i 150-430°C. Vediamo ora alcuni

classici acciai inossidabili martensitici.

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

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

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'allumino 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.

DESIGNAZION 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

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

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 é stabile, essendo una soluzione soprasatura di

carbonio, vi é 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 (preeipitation 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 degli acciai inossidabili austenitici sono bassi, come per i

s

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 Figura 1.1

dei carburi.

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. Essa precipita

in un tempo relativamente breve, dell’ordine di poche ore, da strutture austenitiche –

ferritiche, mentre possono essere neces