Metallurgia

Resistenza meccanica e proprietà dei metalli

Data Materia Autore 07-03-2017 Metallurgia Nicola Vissani

Titolo Resistenza meccanica e proprietà dei metalli

La resistenza meccanica è la forza che ha un materiale qualunque esso sia di opporsi ad una sollecitazione esterna; questa sollecitazione può essere uniassiale, a trazione o a compressione, a flessione o a torsione ed addirittura potrebbe essere una combinazione di questi tre movimenti.

Perciò la resistenza meccanica è l’effettiva forza che il materiale oppone ad una sollecitazione esterna. Ovviamente ci sarà un limite di sopportazione oltre al quale il nostro materiale si spezzerà.

:  Solitamente questa proprietà viene visualizzata attraverso un grafico dove rappresenta il  l/l carico e si calcola Forza/Area mentre la indica l’allungamento percentuale e sarebbe .0

Il grafico viene costruito attraverso delle misurazioni sperimentali; ad esempio si sottopone al   metallo in considerazione un carico, che tenderà ad allungarlo, e si misura l’allungamento e 1 1 così via finché non si raggiunge un buon numero di dati tali da poter costruire il grafico.

Se andiamo ad analizzare il grafico ci accorgiamo che al contrario di come potevamo aspettarci il materiale si spezza ad un carico inferiore di quello massimo; per capire meglio tutto ciò possiamo dividere il grafico in tre zone:

• Nella zona uno vediamo un andamento lineare ovvero tanto il pezzo viene caricato tanto si allunga per risponde alla sollecitazione esterna; per qualunque punto all’interno di questa zona se lascio il materiale esso torna alla forma iniziale, ovvero si comporta in maniera elastica.
• Se invece superiamo la zona uno ed entriamo quindi nella due, superando , possiamo snervare il nostro pezzo ovvero sottoponendo uno sforzo che fa sì che si allunghi di un valore superiore ad  otteniamo una deformazione plastica permanente e quindi non più reversibile come invece succedeva nella zona uno.
• La zona tre ha inizio quando il nostro pezzo raggiunge il carico massimo e, non facendocela più a resistere, inizia a cedere. Superato il carico massimo esso inizia a calare perché la sezione centrale del pezzo inizia a restringersi, strizione.

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Data Materia Autore 07-03-2017 Metallurgia Nicola Vissani

Titolo Resistenza meccanica e proprietà dei metalli

L’area compresa nei tratti 1,2 e 3 è la quantità di energia che il materiale riesce a sopportare se sottoposto ad impatti o urti.

I metalli che all’incirca hanno tutti questo comportamento sono a metà tra il puramente duttile, gomma, e il puramente fragile, vetro, ceramica. Possiamo comunque notare che se cambiamo la temperatura o altri fattori le caratteristiche dei metalli possono cambiare, ovvero alcuni acciai a -5C diventano fragili altri invece non diventano mai fragili anche sotto azoto liquido.

Il carico massimo o il carico di snervamento sono due parametri particolarmente importanti: quest’ultimo ad esempio è fondamentale durante la progettazione infatti se snerviamo il pezzo esso non ritornerà nella sua forma iniziale rischiando di rompere tutto ciò su cui è montato.

Il carico massimo diventa fondamentale quando devo realizzare qualcosa, ad esempio da una lamiera, ovvero devo sapere fino a che punto posso allungare o deformare il materiale prima di spezzarlo. Un ingegnere durante il progetto si tiene sempre un margine del 15% o del 20% sul valore di snervamento o di rottura per tutelarsi.

Altre proprietà dei metalli

• Durezza: capacità di un materiale metallico di resistere ad un indentazione con un altro materiale che tende ad inciderlo, quindi tanto più è duro il materiale tanto più l’impronta sarà piccola.
• Usura: capacità che ha un materiale metallico di non perdere peso per attrito durante lo strisciamento di un altro materiale per un certo numero di cicli.
• Fatica meccanica: capacità che ha un materiale metallico di resistere a cicli di carico e scarico.
• Resistenza a corrosione: resistenza di un materiale metallico agli ambienti che lo circondano, ad esempio la ghisa è bandita in ambiente marino ma ce n’è in abbondanza nell’ambiente rurale.

N.B. Un materiale duro non è detto che significhi che lo stesso materiale resista all’usura.

Metallurgia primaria e secondaria

Possiamo dividere la metallurgia in primaria e secondaria: la metallurgia primaria parte da una materia prima che è un minerale dal quale cerco di estrarre il materiale che voglio, questo fa sì che le temperature debbano essere molto elevate, altoforni.

Una volta fuso il minerale il materiale ricavato rimane grezzo e pieno di elementi non desiderati in alte concentrazioni quali manganese silicio e fosforo, è detto pig iron. L’acciaio ricavato va quindi depurato nuovamente e perciò i costi diventano parecchio elevati.

Diversa è invece la metallurgia secondaria nella quale si riutilizza materiale a fine vita che per essere fuso ha bisogno di temperature più basse dei minerali, forni elettrici.

I rottami che si usano in questo caso possono essere di diverso tipo A, B e C: i rottami di tipo A saranno meno contaminati da altri materiali come la gomma mentre quelli di tipo B saranno leggermente più sporchi e così via.

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Data Materia Autore 07-03-2017 Metallurgia Nicola Vissani

Titolo Resistenza meccanica e proprietà dei metalli

Nei minerali ferrosi è sempre presente l’ossigeno essendo il ferro molto affine a quest’ultimo piuttosto che al carbonio; questo crea problemi di corrosione. I minerali che contengono più ferro sono la magnetite, la siderite e l’ematite.

Il carbonio inoltre negli acciai deve essere intorno al 1,5% poiché più ne troviamo e più il materiale ottenuto non è buono, se supera il 6,5% l’acciaio diventa addirittura fragile, da evitare.

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Processi di solidificazione e parametri N, G

Data Materia Autore 08/03/2018 Metallurgia Fabio Ricci

Titolo Processi di solidificazione e parametri N,G

Terminato il processo di fusione del materiale, che può essere sia un minerale che un rottame, che ha permesso di eliminare una buona percentuale di scorie, silicio, manganese, fosforo e carbonio che deve essere sotto il 2%, dal materiale, si procede con il processo di solidificazione dell’acciaio.

Dalla colata possiamo ottenere due tipi di solido: lingotti, a getto, che ha una forma ben determinata dalla vasca di contenimento, o colata continua che è molto più utilizzata; se un prodotto viene realizzato con la tecnica a getto allora verrà segnalato attraverso una lettera, se non vi è segnalato niente allora significa che il pezzo è stato realizzato attraverso la colata continua.

Nonostante sia più economico il processo a getto, si usa in prevalenza quello a colata continua perché, in quest’ultimo caso, la microstruttura del metallo solidificato presenta proprietà meccaniche di gran lunga superiori e ciò dipende dai tempi che impiega il metallo a diventare solido, molto più lunghi nel getto perché il contenitore ha una conducibilità termica molto bassa.

Nella colata continua il metallo fuso viene fatto scendere all’interno di un tubo dove la solidificazione inizia solamente nel tratto orizzontale. Per spingere il metallo in avanti sono presenti dei rulli che danno anche la forma laterale alla colata.

Terminata la fase liquida, il metallo viene tagliato ad esempio in lamiere, bramme, oppure direttamente arrotolato da dei rulli. È possibile modificare il metallo quando ha ancora consistenza pastosa, cioè quando è ancora molto caldo, con dei magli.

Si può deformare il corpo anche evitando il contatto diretto della macchina attraverso degli elettrodi. Nella colata continua è possibile far passare il materiale all’interno di stampi per realizzare la forma richiesta come avviene con i binari del treno.

L’acciaio è sempre formato da ferro e carbonio, in alcuni casi vengono aggiunti altri elementi per migliorare le qualità meccaniche.

Solidificazione, nucleazione e crescita

La solidificazione avviene a partire dalla formazione di primissimi cristalli che nascono nella parte più fredda del materiale ovvero quella esterna. Il tutto dipende dal punto di fusione del metallo. Il ferro ha punto di fusione a 1538 gradi.

Nello studio della solidificazione bisogna tenere conto di due parametri: la velocità di crescita G e la velocità di nucleazione, formazione di cristalli, N. È possibile controllare questi due parametri, in particolare il rapporto N/G che può essere o alto o basso.

Se è basso abbiamo due possibilità: o cresce G tenendo costante N, oppure si fissa G e si diminuisce N. Se è alto possiamo o aumentare N tenendo fisso G o abbassare G tenendo fisso N. Abbiamo quindi 4 possibilità per gestire il processo.

Infatti se il rapporto è basso la solidificazione che avverrebbe aumentando G sarebbe diversa da quella che avverrebbe diminuendo N. Stessa cosa accade se il rapporto è alto.

Considero N/G alto e aumento la velocità di nucleazione. Avremo quindi più nuclei che, essendo la superficie sempre la stessa, si incontreranno prima. Quindi alla fine avremo delle isole che saranno maggiori ma più piccole.

Se invece abbasso la velocità di crescita ottengo che i nuclei rimangono sempre gli stessi, o poco di più, ma più grandi. Se N/G è basso e abbasso N ottengo poche isole ma grandi; se aumento G avrò comunque poche isole, cioè la variante tra i 2 casi non è determinante.

Queste isole sono chiamate grani e la struttura solida dei metalli viene chiamata “a grani” e i confini dei grani si chiamano bordi di grano. La solidificazione comporta il “bloccaggio” degli atomi di carbonio e ferro che nella fase liquida potevano muoversi più liberamente.

Quindi è possibile controllare N e G gestendo la mobilità degli atomi. Per favorire ad esempio la nucleazione posso mettere all’interno del metallo degli ossidi attorno al quale inizia subito la solidificazione. Questi elementi facilitano la nucleazione e sono chiamati inoculanti, N cresce.

Per far crescere G invece posso aumentare la velocità di raffreddamento. Nel grafico il tratto orizzontale rappresenta il tempo necessario, tempo latente, per passare dallo 0% al 100% di metallo solido.

Sottoraffreddamento e dimensione del grano

Se il raffreddamento avviene molto velocemente si potrebbe incorrere nel fenomeno del “sottoraffreddamento” che si definisce come l’inerzia non meccanica ma termodinamica.

Il sistema termodinamico non si solidifica nel solito punto di fusione ma la temperatura continua a scendere fino a minimo per poi risalire fino ad un altro punto che si trova alla stessa temperatura di quella di fusione dove inizia il passaggio di stato.

Il sottoraffreddamento viene sfruttato quando abbiamo il rapporto N/G, nucleazione omogenea. Se non abbiamo il fenomeno di sottoraffreddamento abbiamo una nucleazione eterogenea.

La dimensione del grano è molto importante perché la resistenza a snervamento è proporzionale proprio all’inverso della dimensione del grano: se i grani sono tanti e piccoli si avrà una resistenza meccanica elevata. Quindi già prima della solidificazione bisogna pensare a come far avvenire il processo.

I grani sono porzioni omogenee la cui omogeneità si interrompe dove incontra un altro grano. Il bordo grano rappresenta la discontinuità ed occupa un volume al di sotto del 2%. Discontinuità vuol dire che il metallo solidifica in un certo modo.

La solidificazione ha una sua logica. I reticoli sono ben precisi. In particolare l’acciaio ha un reticolo cubico e gli atomi di Fe, chiamato posizionale, si trovano agli otto vertici del cubo mentre quelli di carbonio, chiamato atomo interstiziale, si trovano sui lati a distanza 1/3 dall’atomo di Fe più vicino.

Il ferro determina la struttura molecolare del metallo. Molto spesso capita che durante la solidificazione può accadere degli atomi di Fe non ci siano, vacanza.

Dal punto di vista termodinamico è fondamentale la vacanza perché è possibile inserire un atomo diverso come il Nichel, che ha raggio simile a quello del ferro, per migliorare le prestazioni meccaniche, in particolare la deformazione meccanica.

I difetti sono fondamentali nelle deformazioni plastiche perché gli atomi posso muoversi nel cubo. In particolare abbiamo il fenomeno di dislocazione che non riguarda più un singolo atomo ma più atomi. Sono chiamati difetti di linea e comportano la mancanza di piani interi.

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Grafico leghe 1, 2, 3 e lega 4

Data Materia Autore 15/03/2018 Metallurgia STE

Titolo Grafico leghe 1, 2, 3 e lega 4

• Leghe di tipo 1 ---- B < 1%
• Leghe di tipo 2 ---- 1% B 10% ≤ ≤
• Leghe di tipo 3 ---- 10% < B < 30%
• Lega di tipo 4 ---- B = 30%, lega eutettica

Leghe di tipo 1 ---- B < 1%

Scendiamo nella curva di raffreddamento presa in considerazione nel grafico, si andranno a formare i primi cristalli di solido ti tipo α.

Andiamo ad analizzare il punto preso in considerazione e tracciamo un segmento parallelo all’asse delle percentuali.

L’intersezione di questo segmento con le due curve, una a sinistra e una a destra, ci identifica 2 percentuali, prese arbitrariamente, in modo sensato. La prima, verso sinistra, uguale 0,5% e la seconda, a destra, uguale al 4%.

Il segmento totale identificato sarà uguale alla sottrazione tra queste 2 percentuali.

l = 4 – 0,5 = 3,5 %

Vengono poi identificati 2 segmenti rispettivamente a sinistra e destra del punto preso in considerazione. Quello di sinistra ci identificherà la fase Liquida, L, e lo identificheremo come l(1) e quello di destra la fase solida di α che indichiamo con l(2) l(1) = 1 – 0,5 = 0,5 % l(2) = 4 – 1 = 3%

#(%) ' #(.) /,)= =L == 6/7 = 1/7=α # ',) # ',)

Leghe di tipo 2 ---- 1% B 10% ≤ ≤

Prendiamo in considerazione un punto interno all’intervallo delle leghe di tipo 2, guardare grafico.

5%

Come fatto precedentemente ci spostiamo lungo la curva di raffreddamento e andiamo a identificare il segmento “l” totale di intersezione con le due curve a sinistra e destra.

l = 12 – 4 = 8 %

Facciamo la stessa cosa fatta precedentemente l(1) = 5 - 4 = 1 % l(2) = 12 – 5 = 7 %

#(%) 1== dal grafico vediamo che la percentuale di B in α corrisponde al 4%, guardo a sinistra α # 2

#(.) = .2L = dal grafico vediamo che la percentuale di B nel Liquidus corrisponde al 12%, guardo a destra #

Queste due percentuali ci indicano anche la massima solubilità di B rispetto al solido α e il Liquidus L.

Lega di tipo 4 ---- B = 30%, lega eutettica

Temperatura eutettica.

Avendo B= 30% avrò A= 70%. Il liquido lungo questa curva inizia a solidificare in 2 fasi distinte e separate α e β.

Procedo come fatto precedentemente definendo i vari segmenti.

l = 70 – 10 = 60

l(1) = 30 - 10 = 20 % l(2) = 70 – 30 = 40%

#(%) 3/= = 2/3= dal grafico vediamo che la percentuale di B in α corrisponde al 10% α # 4/

N.B: lungo questo raffreddamento non ho il liquido ma avrò rispetto il segmento “l(1)” β

#(.) %/= = = 1/3 β e vedo dal grafico che la concentrazione di B in β corrisponde al 70% # 4/

Poiché i 2/3 corrispondono al 66%, moltiplicando la concentrazione di B per α vediamo che ---- 10 x 0,66 = 6,6

E poiché 1/3 corrisponde al 33%, moltiplicando la concentrazione di B in β vediamo che ---- 70 x 0,33 = 23,1

Rispetto questi due risultati, alla domanda, “Dov’è finito B?” rispondiamo che, seppur spartito sia in α che in β ne troviamo una più alta concentrazione in β che in α seppur β è in quantità minore rispetto ad α.

Temperatura ambiente

Rimaniamo sempre sulla stessa curva di raffreddamento ma analizziamo il tutto a temperatura ambiente, il ragionamento è lo stesso, quello che cambierà saranno i vari segmenti. Seppur il ragionamento è lo stesso vedremo che il risultato cambia in maniera significativa.

l = 80 – 1 = 79

l(1) = 30 – 1 = 29 % l(2) = 80 – 30 = 50%

#(%) )/= e la percentuale di B in α corrisponde all’1%= 63%= α # 17

N.B: lungo questo raffreddamento non ho il liquido ma avrò rispetto il segmento “l(1)” β

#(.) %7= = = e la percentuale di B in β corrisponde all’ 80%37% β # 17

Andiamo ad analizzare dov’è finito B.

Guardiamo B in α --- 1 x 0,63 = 0,63

Guardiamo B in β ---- 80 x 0,37= 29,6

Quello che notiamo subito rispetto alla temperatura eutettica è che le concentrazioni di B rispetto ad α e β sono cambiate in modo significativo. A temperatura ambiente B in α ha un valore insignificante rispetto a B in β. Il cambio di temperatura vuol dire molto.

Leghe di tipo 3 ---- 10% < B < 30%

Temperatura sopra l’eutettica

Prendiamo una curva di raffreddamento con concentrazione di B al 25 %

Come sempre scendiamo lungo la curva e prendiamo in considerazione un punto sopra la temperatura eutettica e andiamo a identificare i 3 segmenti che ci serviranno nei calcoli successivi.

l = 28 – 8 = 20

l(1) = 25 – 8 = 17 % l(2) = 28 – 25 = 3%

#(%) '= = 15%%= e la percentuale di B in α corrisponde al 8% α # %/

Qui prendiamo il liquido perché