Appunti Tecnologia dei materiali metallici

Materiali metallici, caratteristiche e proprietà

I materiali metallici devono contenere un elemento metallico (elementi che si trovano a sinistra della tavola periodica, ad eccezione dell’idrogeno) e sono spesso costituiti da più elementi. Gli ossidi non sono fasi metalliche. Questo perché il legame che si crea tra ossigeno e metallo è di tipo ionico, non metallico (perdono anche la capacità di condurre).

Ad esempio: ossigeno e ferro danno origine a tre tipi di ossidi rispettivamente chiamati ematite (Fe₂O₃), magnetite (Fe₃O₄), wustite (FeO). La magnetite è l’unico materiale metallico. Esistono anche degli ossidi definiti metallici (ad esempio Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO, Al₂O₃, TiO₂) che sono costituiti da metalli ma hanno perso le loro caratteristiche specifiche, quindi l’ossido metallico non è comunque un metallo.

I materiali metallici hanno struttura cristallina → Materiale metallico materiale cristallino Tuttavia la struttura cristallina non implica che si tratti di materiale metallico (anche i ceramici cristallizzano).

I metalli tendono a cedere elettroni poiché hanno elettroni in più rispetto alla configurazione ideale mentre i non metallici detti metalloidi (ad esempio gli alogeni) hanno elettroni in meno quindi tendono a strappare gli elettroni.

Proprietà dei materiali metallici

1) Conducibilità elettrica/termica

I metalli possiedono una conduzione di tipo elettronico. Essi sono in grado di cedere elettroni (data la natura del legame metallico a-direzionale). Gli elettroni nei materiali metallici possono muoversi al di fuori degli atomi di 'giurisdizione' ma sempre in aree energeticamente concesse, non possono né spostarsi in zone a livello energetico più basso né più alto; queste zone sono dette zone di Brillouin.

Le impurezze alterano il campo energetico e impediscono agli elettroni di muoversi, aumentando la resistività. Tecnicamente tutti i metalli potrebbero essere usati poiché tutti conduttori; in realtà i più usati sono: Cu, Ag, Au, Pt, Al, Sn. Rapporto costo benefici a favore del rame. Siccome le impurezze ostacolano la conduzione è necessario ricavare il metallo puro.

Come avviene la raffinazione?

• Fusione a zone: suppongo di avere un cilindro di materiale. Per induzione scaldo la superficie (una spira circonda una parte del cilindro e genera un campo magnetico corrente indotta effetto Joule). Se abbiamo del liquido e del solido, le seconde fasi o gli elementi del soluto tendono ad andare nel liquido. Ad esempio, prendo il ferro, a 1492 gradi ho parte di ferro allo stato liquido e parte allo stato solido. Il carbonio sciolto nel ferro solido è inferiore al carbonio sciolto nel ferro liquido. Questo significa che le impurezze vanno a finire nel rame disciolto. La spira (induttore) man mano si sposta lungo l'asse del cilindro e quindi scioglie la porzione successiva, mentre quella precedente si raffredda. Così facendo, riesce a 'trasportarsi' le impurezze che tendono a disporsi nel liquido. Alla fine del processo, perciò, si ha la parte terminale che è densa di impurezze e viene rimossa. Questo però non garantisce una purezza assoluta ma è preparativo al processo di elettrolisi.
• Elettrolisi: all'interno di una soluzione ho un anodo e un catodo. All'anodo avviene la reazione anodica/dissoluzione (gli elettroni passano nel liquido) mentre sul catodo avviene l'opposto. All'anodo mettiamo il rame impuro, al catodo mettiamo del rame purissimo. Il rame va in soluzione e si dispone sul catodo. Quindi quello che è veramente dispendioso è il processo di purificazione.

2) Lucentezza

Hanno alto indice di rifrazione.

3) Deformabilità plastica

I materiali metallici sono in grado di deformarsi plasticamente. Grazie alla natura del legame, hanno alto grado di impacchettamento atomico che favorisce il moto delle dislocazioni. Se le dislocazioni sono impossibilitate a muoversi allora la deformazione viene arrestata, quindi il materiale resiste di più (incrudimento). Per riuscire a superare l’ostacolo la dislocazione può spendere energia ed attraversarla o passare ad un altro piano bypassando 'l’ostacolo'. Questo procedimento è possibile tramite le vacanze (quando si incontra una vacanza → la dislocazione a spigolo può spostarsi di piano climbing). La presenza di vacanze concede maggiore mobilità alle dislocazioni. All’aumento della temp la densità di vacanze aumenta e quindi il moto delle dislocazioni si deforma maggiormente. Il moto delle dislocazioni può essere anche rallentato (aumentano resistenza meccanica) dalla presenza di una grande densità di dislocazioni stesse che si respingono a vicenda (stati tensionali si respingono).

4) Proprietà magnetiche

Materiali metallici possiedono specifiche proprietà magnetiche che possono essere sfruttate in diversi ambiti.

5) Riciclaggio (riuso)

Gli unici due materiali realmente riciclabili sono i metalli e i vetri (posso fonderli e riportarli alle caratteristiche iniziali, poi sfruttarli). Il riuso consiste nel trovare una nuova funzione, quindi adattarlo ma NON posso riportarlo allo stato iniziale. Nelle autovetture gli standard europei impongono una riciclabilità del 90%-95%.

Applicazioni dei materiali metallici

I metalli nobili vengono utilizzati in ambiti elettronici e hanno altissima resistenza alla corrosione/ossidazione. Gli ossidi metallici non conducono la corrente quindi lasciare scoperti dei fili conduttori che a contatto con l’aria si ossidano porta alla perdita della conducibilità → si usano metalli nobili.

Nei cavi che trasportano la corrente, la potenza elettrica è esprimibile come P= ΔV*i e può essere modificata agendo su V e su i. Siccome i fili conduttori sono reali e possiedono un fattore di resistenza non nullo conviene mantenere la i bassa ma avere una ΔV molto alta. La resistenza del filo conduttore provoca una caduta di potenziale che è pari a ΔV=R*i. Questa caduta di potenziale per effetto Joule diventa una potenza dissipata di intensità pari a P=R*i² (potenza persa sotto forma di calore). Perciò devo usare bassissime correnti e altissime tensioni. Per ridurre la potenza dissipata bisogna lavorare anche sulla resistenza. Prima legge di Ohm R= ρ*(l/s) (resistività, lunghezza, sezione). Per minimizzare la resistenza posso lavorare su ρ (dipendente dal materiale e dalla temperatura) e sulla sezione (la lunghezza in teoria no perché se devo collegare due punti la lunghezza mi serve tutta e non posso farci nulla).

Le 'vacanze' dipendono in modo esponenziale dalla temperatura vacanza e^-Q/RT (Q quantità di calore necessaria per generare una mole di vacanze, R costante dei gas, T temp) ed incidono sulla resistività del materiale poiché disturbano il campo energetico (non c’è l’atomo e non c’è il campo energetico che dovrebbe esserci), gli elettroni non possono passare.

Aumenta temperatura aumenta ρ aumenta R aumenta il calore dato dall’effetto Joule in loop (corto circuito). L’altro fattore è la sezione, maggiore sezione minore resistività minore potenza dissipata. Questo significa che devo fare delle campate molto più corte poiché sezioni maggiori implicano azioni meccaniche maggiori (pesa di più) e maggior rischio di cedimento. Devo perciò usare un materiale leggero (il rame è molto pesante) perciò uso ad esempio l’alluminio. Nelle linee di alta tensione si usa infatti l’alluminio e non il rame. A parità di volume il rame conduce molto di più MA a parità di peso l’alluminio conduce molto di più. Quindi il rame si uso di più in campo elettrotecnico, quando bisogna evitare fenomeni di ossidazione si usano metalli nobili, dove bisogna trasportare grosse tensioni (grandi sezioni) si usa l’alluminio.

Forme allotropiche del ferro

Il ferro ha due configurazioni: CCC, CFC. I parametri che intervengono sono 3: la temperatura, la composizione e la velocità di riscaldamento/raffreddamento.

• Ferrite alfa: fino alla temperatura di 907°C ha la configurazione CCC detto ferro α
• Austenite: da circa 907°C fino a 1400°C ha configurazione CFC ed è detto ferro γ
• Ferrite delta: da circa 1400°C fino a 1537°C ha configurazione CCC ed è detto ferro δ

Il ferro β (beta) va dai 768°C a 907°C ma l’unica differenza con il ferro alfa è che il ferro beta è paramagnetico ed il ferro alfa è ferromagnetico. Quindi tecnicamente il ferro alfa esiste fino a 768°C e poi diventa ferro beta dai 768°C a 907°C (a 768°C perde le proprietà ferromagnetiche e diventa paramagnetico temperatura di Curie). La distinzione ha senso solo se si discutono le proprietà magnetiche.

Esistono elementi che influenzano i campi di esistenza delle forme allotropiche del ferro cioè spostano i punti di trasformazioni. Ad esempio, il carbonio estende il campo di esistenza dell’austenite anche per t<907°C. Il cromo invece tende a ridurre il campo di esistenza dell’austenite (per tenori > 13% l’austenite sparisce).

• Elementi austenitizzanti = ampliano il campo γ e riducono il campo della ferrite α o della ferrite δ [carbonio, nichel, manganese]
• Elementi ferritizzanti = riducono il campo γ [il cromo, l'alluminio e silicio]

Diagramma di stato ferro-carbonio

• Trasformazione peritettica: Austenite γ Liquido + Ferro δ
• Eutettoidica Austenite γ Ferrite α + cementite Eutettica solido liquido

Il grafico rappresenta le strutture di equilibrio delle leghe ferro – carbonio. Gli acciai si differenziano per la percentuale di carbonio:

• Acciai ipoeutettoidi: con tenore di carbonio < 0,77%.
• Acciai eutettoidi con tenore di carbonio = 0,77%.
• Acciai ipereutettoidi: con tenore di carbonio > 0,77%, fino a un massimo del 2,11%

I punti notevoli di invarianza sono 3:

• Trasformazione peritettica: Punto peritettico (I): trasformazione per cui al riscaldamento una fase solida (0,18% di carbonio) origina una fase solida ed una fase liquida avviene (ferrite delta 0,1% carbonio) (0,5% carbonio) 1495 °C e 0,18% di carbonio schematizzata nel seguente modo: Austenite γ Liquido + Ferro δ riscaldando. Tutte le leghe comprese tra lo 0,1% e 0,5% di carbonio subiscono la trasformazione peritettica.
• Trasformazione eutettoidica: Punto eutettodico (S): la miscela eutettoide ha percentuale di carbonio pari a 0,8% con temperatura di solubilità solida di 727 °C. A questa T la fase γ (austenite) si trasforma in una struttura lamellare composta da fase α (ferrite) + Fe C (cementite) detta perlite. Austenite γ Perlite (Ferrite α + cementite) 727°C (raffreddo). Avvengono dei processi di diffusione (da 0,8% c omogenea tutti il carbonio finisce nella cementite) e di riarrangiamento atomico (da CFC a CCC). I processi diffusivi sono funzione della temperatura e del tempo.

Quando passiamo dalla struttura austenitica alla struttura ferritica ci aspettiamo in primo luogo una nucleazione di Ferrite α e Fe₃C e poi una crescita degli stessi nuclei. Gli atomi di carbonio devono muoversi per concentrarsi e formare un numero di cementite e poi accrescerlo. Le zone circostanti saranno prive di carbonio (si forma la ferrite). Il passaggio da CFC a CCC avviene tramite piccolissimi spostamenti (meno di un passo atomico). Martensite (struttura tetragonale a corpo centrato) è una fase metastabile che si forma perché gli atomi di carbonio non riescono a fuoriuscire dal reticolo a causa dell'elevata velocità di raffreddamento che impedisce i moti diffusivi. Le strutture martensitiche sono ottenute attraverso un raffreddamento rapido chiamato tempra al fine di "congelare" una fase che è stabile ad alta temperatura ma a temperatura ambiente è instabile. Nel diagramma di stato non rientra la martensite non essendo una fase di equilibrio.

• Trasformazione eutettica: tenore di carbonio = 4,3% t= 1147°C → solido liquido riscaldando. Il cui punto di fusione è più basso di quello delle singole sostanze che la compongono. Quando il liquido arriva a composizione eutettica solidifica. La fase eutettica ha distribuzione lamellare perché in questo modo la redistribuzione dalla fase solida a quella liquida degli atomi per effetto della diffusione è più semplice. Solidificando (a 1147 °C) ghisa fusa di miscela eutettica (4,3% di carbonio) si forma una miscela meccanica di austenite e cementite chiamata Ledeburite.

Leghe con > 2% C, le ghise

Per tenori di carbonio >2% si parla di ghisa ed inevitabilmente compare l’eutettico. Inoltre, quando c=4,3% si ha la composizione eutettica e per >4,3% si possono verificare due casi: si forma liquido + cementite Fe₃C oppure liquido + grafite.

• Grafite è favorita quando la velocità di raffreddamento è bassa ed è presente in buon tenore il silicio che è un elemento grafitizzante. Si ottiene tramite Inoculazione: al momento della colata aggiungiamo una quantità minima di silicio 0,1% sotto forma di ferrolega (50% Fe 50% Si) e questa polvere aumenta localmente l’attività del carbonio. Localmente siamo in condizioni ipereutettiche. Questo fa sì che la grafite si formi come fase primaria solida nel liquido e solidifichi sotto forma di lamelle. Se la velocità di raffreddamento è molto lenta ed il tenore di silicio è abbondante, l’azione grafitizzante del silicio permane nel corso del raffreddamento. L’austenite che dovrebbe formarsi perde tutto il carbonio e diventa ferrite (siamo prima del 4,3% C). Alla fine, si ha struttura di ferrite con lamelle di grafite. Se il raffreddamento non è lento/tenore Si non elevato l’austenite si trasforma in perlite (ghisa grigia) perlite con lamelle di grafite.
• La composizione a lamelle della grafite non è l’ottimale. Il top sarebbe avere la grafite sferoidale (ghise sferoidali). È assolutamente competitiva con gli acciai. La sferoidizzazione della grafite si realizza aggiungendo magnesio subito dopo l’inoculazione, prima che si solidifichi. Il grosso vantaggio è che il fattore di intensificazione degli sforzi (parametro significativo per la determinazione degli sforzi passa da 13 a 3).
• Cementite è favorita quando c’è alta velocità di raffreddamento, se ci sono bassi tenori di silicio e sono presenti elementi che stabilizzano i carburi come cromo, molibdeno, vanadio, etc... È detta ghisa bianca e il carbonio è sotto forma di carburo (cementite). È assolutamente da evitare una ghisa che presenta sia cementite che grafite (ghisa trotata). Non ha applicazioni e si butta via.

Le ghise sono materiale da fonderia. Facciamo solidificare il materiale in una forma che è simile alla forma finale (colata in uno stampo). Le caratteristiche migliori si hanno quando la composizione è quella eutettica. Per due motivi:

• L’eutettico è il punto più basso in cui abbiamo liquido si può lavorare a temperature più basse e questo è molto agevole.
• All’eutettico il liquido passa direttamente allo stato solido. Per altre composizioni questo non accade, per un certo intervallo di temperature si forma un solido che coesiste con il liquido. Si ottiene così un fango (liquido più parti solide) che non è detto riempia in maniera ottimale lo stampo come accade per un liquido semplice.

Tuttavia, una ghisa con 4,3% di carbonio ha scarse proprietà meccaniche ed è del tutto inutile. Per aggirare il problema della colata si utilizza il silicio. La sua presenza fa sì che il carbonio si comporti come se fosse in quantità maggiore del 30%. Ossia: Carbonio equivalente = % carbonio + 1/3 % silicio. Quindi se aggiungo il 3% di silicio l’effetto è come se avessi 1% in più di carbonio. Aggiungo silicio per ottenere una composizione eutettica ma con tenori di carbonio minore (carbonio circa 3,3% aggiungo 3% Si).

Produzione acciaio

Ci sono due strade:

• Ciclo integrale, si parte dal minerale e si ricava l’acciaio (altoforni).
• Acciaieria elettrica, non si parte dal minerale ma da acciaio stesso (rottami). Vengono rifusi e diventano perfettamente riutilizzabili.

Tuttavia, i rottami sono inquinati (rame, piombo e zinco principali inquinanti) perciò deve essere aggiunto acciaio pulito derivante dagli altoforni.

Altoforni:

• Minerale di ferro
• Fondente
• Carrelli trasportatori
• Bocca di carico
• Strato di coke e fondente
• Strato di fondente e minerali di ferro
• Flusso di aria calda a circa 1200 °C
• Rimozione delle scorie
• Crogiolo per la colata della ghisa
• Siviera per le scorie
• Colata in siviera
• Contenitore per la separazione delle particelle solide
• Ricuperatori
• Ciminiera
• Condotto per l'aria calda inviata all'altoforno
• Carbone in polvere
• Cokeria
• Coke
• Uscita dei fumi dall'altoforno

La produzione di acciaio con gli altoforni richiede:

• Minerale di Fe
• Coke che si ricava dal carbon fossile
• Fondente (calcare): serve a fluidificare la carica per evitare che si blocchi.

Queste tre sostanze vengono miscelate e sinterizzate e poi calate dall’alto nel forno. Questa carica scendendo incontra il gas. Dall’alto forno esce la ghisa che successivamente passa per un convertitore. Prima di entrare nel convertitore deve essere rimosso lo zolfo che è presente a causa del coke. Il convertitore è un pentolone al cui interno si spara ossigeno puro. Questo ossigeno brucia quello che c’è nella ghisa.