Appunti di Metallurgia

METALLURGIA

Nel corso di metallurgia parleremo principalmente del ferro, che è il metallo dominante tutt’ora nel

mondo dell’industria.

Facciamo una piccola introduzione storica.

I metalli sono importantissimi da sempre nella storia dell’uomo. Infatti dapprima gli uomini primitivi

impararono ad usare la pietra come utensile, che si poteva scheggiare per creare oggetti taglienti.

Lo svantaggio dell’uso della pietra sta però nel fatto che essa non è molto lavorabile, oltre a

scheggiarla non ci si può fare altro. Allora scoprirono i primi metalli, che come vantaggio rispetto

alla pietra avevano che essi potevano essere lavorati molto più facilmente in quanto molto più

duttili. Il primo metallo che scoprirono fu l’oro, molto raro e molto prezioso ma tecnologicamente

inutile perché poco resistente. Dopo di che furono trovate anche delle pepite di rame, e da lì iniziò

la vera svolta, in quanto il rame (nonostante oggi sia conosciuto per le sue proprietà come ottimo

conduttore elettrico) era molto più facile da lavorare della pietra ed era molto più resistente

dell’oro. Proprio da lì nasce la metallurgia: il rame poteva essere lavorato con lavorazioni plastiche

(ovvero battuto), se scaldato diventava liquido e poteva essere versato in degli stampini per creare

oggetti utili. Questo tipo di lavorazione fu usato per la prima volta dagli egizi. Più tardi il rame fu

usato anche nell’arte bellica: infatti se si mescolava il rame con dello stagno si creava una lega di

rame che si chiamava bronzo, molto più resistente del rame e adatto per creare armature, scudi e

spade. Questo fu un elemento fondamentale per lo sviluppo del commercio globale: tutti

dovevano difendersi e creare armi, e avere stagno e rame da poter vendere era una grande

ricchezza. Tutto ciò fino ad arrivare all’impero romano, o meglio ancor prima dagli etruschi, che

scoprono il ferro, molto più difficile da reperire perché in natura si trova solo sotto forma di

minerale, e quindi prima di essere utilizzato deve essere isolato dal minerale.

Nel corso di metallurgia considereremo gli atomi come delle sfere.

I metalli sono importanti nella vita dell’uomo perché sono solidi cristallini, quindi sono atomi (tutti

uguali o anche di elementi diversi) che si dispongono nello spazio seguendo una geometria

regolare, in modo che gli atomi vicini siano uguali.

L’unità fondamentale del reticolo si chiama cella.

In particolare nel reticolo cristallino formato da atomi metallici i legami caratteristici sono legami

metallici. Sono proprio questi legami che rendono i metalli molto più lavorabili delle pietre: nel

legame metallico gli atomi condividono tutti i loro elettroni, non è un legame direzionale e non

servono posizioni e distanze precise, per cui gli atomi possono anche cambiare posizione senza

lasciare il reticolo. Questo è il motivo per cui i metalli sono facilmente lavorabili e le pietre no: nelle

pietre non ci sono legami metallici.

RETICOLI DI BRAVAIS

Abbiamo detto che il reticolo cristallino è formato da tante unità elementari che si chiamano celle.

Le celle possono essere di diversi tipi. Noi ci occuperemo in particolare di 3 tipi di celle:

• Cubiche

• Primitiva

• A corpo centrato

• A facce centrate

• Tetragonale

• Si ottiene alzando l’altezza della cella cubica

• Primitiva

• A corpo centrato

• Esagonale

• Sono più difficili da lavorare

• Se mettiamo insieme 3 celle esagonali le facce della cella saranno

esagonali

A seconda del tipo di cella elementare che si crea vengono influenzate

le proprietà del metallo. Questa tabella riporta alcuni degli

elementi più comuni, la loro cella elementare e il loro raggio

atomico.

Se conosciamo gli atomi che compongono un reticolo,

conoscendo questi valori tabulati, si può anche capire quanto

è grande il reticolo usando le formule della diagonale del cubo

e del quadrato.

Testo creato da Andrea Di Silverio - È vietata la riproduzione

Durante il processo di congelamento di un liquido si creano vari reticoli, che man mano che si

congela il liquido diventano più grandi fino a che non si toccano. Chiaramente, essendo

originariamente tutti reticoli indipendenti, essi avranno orientazioni diverse, e saranno chiamati

grani. Quando si toccano i grani, durante la fine del processo di solidificazione, essi avranno

orientazioni diverse, per cui le particelle che si trovano tra due grani saranno disposte in maniera

disordinata. Proprio queste zone dove si toccano due grani sono chiamate bordi di grano.

Ogni grano, preso da solo, con la propria orientazione, è anisotropo. Durante il processo di

solidificazione si creano tantissimi grani che andranno poi a unirsi. Proprio questa molteplicità di

grani, ognuno anisotropo a proprio modo, quando si uniranno nel solido complessivo lo

renderanno isotropo. Questo perché per capire se il solido finale sarà anisotropo bisognerebbe

sommare le anisotropie di tutti i grani. Ma questo è un lavoro molto lungo, talvolta impossibile, e

quando possibile da valori molto piccoli tanto da poter considerare il solido finale isotropo.

In generale possiamo dire che un materiale è considerabile isotropo grazie alla molteplicità dei

grani, e più i grani di un materiale sono fini più il materiale è resistente.

Nel mondo dell’industria i metalli puri non si usano mai, a loro vengono preferite le leghe, ovvero

una soluzione del metallo puro con l’aggiunta di un altro metallo chiamato alligante.

Le soluzioni possono essere solide sostituzionali oppure solide interstiziali:

• Nelle soluzioni solide sostituzionali al metallo puro viene aggiunto un alligante il quale si

posiziona nel reticolo al posto degli atomi di metallo puro, del solvente

• Nelle soluzioni solide interstiziali al metallo puro viene aggiunto un alligante molto piccolo il

quale si va a posizionare negli spazi vuoti tra gli atomi di solvente puro già posizionati nel

reticolo. Ciò talvolta può portare ad una distorsione del reticolo.

Alle soluzioni solide si collega il concetto della diffusione, che è il fenomeno che riguarda il

trasporto di materia attraverso il reticolo a temperature molto elevate. Infatti gli atomi non sono

fermi ma vibrano in continuazione. A temperatura ambiente vibrano poco, a temperature alte

vibrano molto. Questa vibrazione elevata allontana gli atomi tanto da creare abbastanza spazio

per far passare un atomo tra di loro.

Una lega può essere anche bifasica. Si definisce una lega bifasica come una soluzione

sovrasatura tanto che all’interno del reticolo si creano degli spazi con altre leghe diverse rispetto

alla lega principale.

SOLIDIFICAZIONE

La solidificazione è un processo che prevede l’abbassamento della temperatura del sistema fino

al punto che il materiale che originariamente era allo stato liquido non diventa solido. Ogni

materiale ha una temperatura caratteristica a cui avviene la transizione di fase.

Lo stato solido è caratterizzato dalla struttura cristallina, dove gli atomi hanno posizioni precise e

sono legate dal legame metallico.

Lo stato liquido è caratterizzato dall’ordine a corto raggio, per cui non c’è la struttura ordinata e

geometrica del reticolo cristallino ma ci sono dei nuclei (dei conglomerati piccoli) di atomi tutti

staccati tra loro.

Durante la transizione di fase la temperatura rimane costante (tranne nel caso di leghe metalliche

che solidificano in un intervallo di temperatura, in cui essa non rimane costante), e nel tempo di

solidificazione si ha una contrazione di volume.

Come avviene nel dettaglio il processo di solidificazione?

Esso si divide in due fasi:

• Prima fase: fase N (nucleation)

• Allo stato liquido si formano nuclei che si dissolvono continuamente. Quando si arriva alla

temperatura di solidificazione i nuclei che si formano non si dissolvono più.

• Seconda fase: fase G (growth)

• Arrivati alla temperatura di solidificazione, si formano nuclei che non si dissolvono più (nella

fase N) e si iniziano ad ingrandire in quanto altri atomi si legano al nucleo.

Il processo di solidificazione può portare a due risultati diversi:

• Se la prima fase è più attiva della seconda fase: si formeranno tanti nuclei, che quindi avranno

meno possibilità di crescere rendendo il materiale più resistente (come visto prima)

• Se la seconda fase è più attiva della prima: si formeranno meno nuclei, che avranno la

possibilità di crescere di più, rendendo il materiale meno resistente (come visto prima)

Se una fase è più attiva dell’altra dipende dalla velocità di raffreddamento del liquido: N

Se il raffreddamento avviene lentamente: la seconda fase è più attiva per cui il rapporto sarà

• G

basso Testo creato da Andrea Di Silverio - È vietata la riproduzione

N

Se il raffreddamento avviene velocemente: la prima fase è più attiva per cui il rapporto sarà

• G

alto

Nel corso di chimica abbiamo visto le curve di raffreddamento, per cui in condizioni teoriche

quando si arriva alla temperatura di congelamento il grafico diventa piatto finché tutto il liquido

non è diventato solido.

Se la velocità di abbassamento della temperatura è alta si può verificare il fenomeno del

sottoraffreddamento: la temperatura non rimane costante alla temperatura di congelamento ma

continua a scendere fino a raggiungere il punto di sottoraffreddamento, e proprio a questa

temperatura si inizieranno a formare i grani. Dato che siamo arrivati ad una temperatura più bassa

di quella di congelamento si formeranno più grani, facendo prevalere la fase N sulla fase G.

Se invece il processo di congelamento avviene in condizioni teoriche (quindi la velocità di

raffreddamento è bassa) avremo una curva di raffreddamento teorica, che creerà meno grani

facendo prevalere la fase G sulla fase N.

Per di più la fase N si può verificare in due modalità:

• Nucleazione omogenea: se i grani durante il processo di congelamento si formano in maniera

casuale e in punti casuali

• Nucelazione eterogenea: se i grani si formano in punti specifici. I punti specifici di nucleazione

possono essere controllati: i grani possono formarsi attorno a corpi aggiunti al liquido che si sta

congelando (questi corpi aggiunti si chiamano nucleanti) in quanto i nucleanti si trovano a

temperatura più bassa rispetto al liquido, oppure attorno alle pareti del contenitore: le pareti del

contenitore in cui avviene il processo di congelamento si trovano ad una temperatura più bassa

rispetto al liquido, e ciò favorisce il processo di nucleazione proprio lungo le pareti del

contenitore. Questo secondo caso è un processo più spontaneo ed è quello che avviene

maggiormente e porta a solidificazioni teoriche.

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PROVE MECCANICHE

Le prove meccaniche sono delle prove a cui vengono sottoposte i vari materiali per testarli e

scegliere quello più adatto a determinate applicazioni pratiche. In generale, i materiali che

vengono testati sono sottoposti a forze esterne e l’obbiettivo è valutare la loro resistenza alle forze

esterne. Un corpo a cui viene sottoposta una forza potrebbe reagire in diversi modi: potrebbe

deformarsi, avendo delle ripercussioni sulla sua geometria, o potrebbe rompersi.

Gli esempi più classici sono l’applicazione di un peso su un tavolo, un camion che affronta una

salita o due corpi legati da una carrucola dei quali uno dei due scivola su un piano inclinato.

A noi interessa studiare quali sono le reazioni di un corpo all’insieme delle forze che agiscono su

di esso e prevedere la sua deformazione dopo l’applicazione delle forze.

PROPRIETÀ DEI MATERIALI

• Proprietà fisiche e chimiche

• Colore

• Temperatura di fusione

• Massa volumica (densità)

• Conducibilità termica e elettrica

• Resistenza alla corrosione

• Proprietà tecnologiche

• Proprietà che riguarda la capacità di un oggetto di cambiare la propria geometria, e quindi di

cambiare forma. Esse sono:

• Malleabilità

• Duttilità (interessa di più al corso di metallurgia)

• Fusibilità

• Temperabilità

• Saldabilità

• Proprietà meccaniche

• Durezza

• Tenacità

• Resistenza all’usura

• Resistenza meccanica:

• A trazione

• A compressione

Qualsiasi oggetto ha comportamenti che dipendono da diversi fattori:

• Dal tipo di materiale con il quale è realizzato l’oggetto

• Dal tipo di sollecitazione esterna alla quale l’oggetto è sottoposto

• Dalla sua geometria, dalla sua forma e dalle sue dimensioni

• E dalle condizioni fisiche e chimiche (temperatura, ambiente, velocità di applicazione del

carico…)

Per capire al meglio la risposta di un oggetto ad una sollecitazione esterna bisogna conoscere le

proprietà intrinseche (ovvero proprie) del materiale, utili per capire il campo di applicazione e

l’impiego di quello specifico materiale.

Allora si concorda su delle prove i cui risultati sono accettati da tutti e che permettono di

conoscere le proprietà principali dei materiali. Queste sono le prove meccaniche.

Le prove meccaniche si dividono in tre categorie:

• Prove statiche

• Prove in cui la sollecitazione esterna viene applicata ad una velocità molto bassa, e che

quindi durano molto. Esse sono:

• Trazione (la consideriamo)

• Compressione

• Flessione

• Torsione

• Durezza (la consideriamo)

• Prove impulsive

• Prove in cui la sollecitazione esterna è istantanea, per cui sono molto brevi. Esse sono:

• Resilienza (la consideriamo)

• Prove cicliche

• Prove in cui la sollecitazione esterna è ripetitiva, si ripete nel tempo. Esse sono:

• Fatica (la consideriamo) Testo creato da Andrea Di Silverio - È vietata la riproduzione

PROVA DI TRAZIONE

Il principio è semplice: afferrare dalle estremità un campione del materiale in esame a forma di

parallelepipedo o di cilindro che ha sezione costante e tirarlo in direzione opposta col fine di far

allungare il campione. Il campione viene afferrato dagli afferraggi (macchine usate in queste

prove), uno dei due rimane fermo e l’altro viene fatto traslare verso l’alto (se il campione è

disposto verticalmente) in modo che si allontani dall’altro afferraggio con una velocità costante.

Definiamo alcuni parametri:

• Lunghezza fra i riferimenti (L): lunghezza prendendo in considerazione gli estremi del campione

durante l’esecuzione della prova

• Lunghezza iniziale fra i riferimenti (L0): lunghezza prendendo in considerazione gli estremi del

campione prima della prova

• Lunghezza ultima fra i riferimenti (Lu): lunghezza prendendo in considerazione gli estremi del

campione dopo la sua rottura

Bisogna anche concordare la dimensione del campione, perché essa influenza l’effetto delle forze

applicate sul corpo. Dato che le variabili sono tante, bisogna svincolarsi dalla dimensione del

campione da analizzare. Allora introduciamo:

Tensione normale ingegneristica (nominale)

F

σ = , rapporto tra la forza istante per istante sottoposta durante la prova e l’area della sezione

A 0

iniziale del campione. A0 è l’area della sezione del campione all’istante t=0, quindi prima dell’inizio

N

della prova. Si misura in m m 2

Deformazione ingegneristica (nominale)

L − L 0

ϵ = (ΔL = L − L )

, rapporto fra l’allungamento del campione e la lunghezza iniziale. L

0

L 0 mm

è l’allungamento in un certo istante della prova. È adimensionale ma si misurerebbe come .

mm

Dalla prova di trazione si ricavano varie informazioni, a noi interessano principalmente le proprietà

meccaniche dei metalli e delle leghe. Queste proprietà sono:

• Modulo di elasticità

• Carico di snervamento

• Carico di rottura

• Allungamento percentuale a rottura

• Strizione percentuale a rottura

Analizziamo una curva dell’applicazione della forza durante una

prova di trazione. Il grafico riporta sull’asse y lo sforzo (la tensione

normale) e sull’asse x la deformazione.

Il grafico varia in base alle caratteristiche del materiale e in base a

σ /ϵ

come esso reagisce alla forza esterna. Vediamo un grafico dove

il materiale non presenta snervamento.

Il grafico si presenta lineare nel primo pezzo. Questo tratto si

chiama “tratto elastico”. È chiamato in questo modo perché se si

interrompe la prova proprio durante questo tratto il materiale è in

grado di tornare alle condizioni di lunghezza iniziali seguendo

esattamente lo stesso percorso che ha compiuto durante la prova,

comportandosi in maniera elastica. È questa la caratteristica più

importante: in una macchina industriale è importante che i materiali

abbiamo una buona elasticità in modo che dopo aver sopportato gli

sforzi siano in grado di tornare alla condizione iniziale senza

deformarsi.

Il tratto lineare finisce e inizia una vera e propria curva. Se

interrompessimo la prova di trazione quando ci troviamo nel punto

σ = 80MPa il materiale sarebbe in grado di tornare alle condizioni

iniziali seguendo però una traiettoria parallela alla curva del grafico

tornando alle condizioni iniziali ugualmente. Qui continua ancora il tratto elastico ma di poco.

Infatti se consideriamo un punto sulla curva e interrompiamo lì la prova il risultato s