Metallurgia

Programma

Definizione materiale metallico

Conducibilità termica ed elettrica, che cos’è una lega, caratteristiche specifiche di un materiale metallico, meccanismi di corrosione, acciai inox, superleghe.

Saldature

Effetti del riscaldamento, fusione e solidificazione, raffreddamento, trattamenti termici, deformabilità plastica, acciaia da profondo stampaggio, meccanismi di frattura, failure analysis, controlli non distruttivi, frattura duttile e frattura fragile, i meccanismi di rafforzamento, produzione dei materiali metallici, cenni di termodinamica, altoforno, convertitore ecc… proprietà magnetiche, acciai innovativi DSHLA, ghise, riciclo, acciaieria elettrica.

Produzione degli acciai

La metallurgia si occupa dei metalli in senso lato e delle applicazioni ingegneristiche dei materiali metallici soprattutto in campo aeronautico ed aerospaziale.

Failure analysis

Analisi della difformità, analisi della rottura, del malfunzionamento o del disastro; è importante perché se trovo il motivo del malfunzionamento posso prevenire un disastro, anche per la prevenzione futura di componenti simili, come un difetto insito del materiale o della lavorazione.

Saldatura

Processo tecnologico che permette di realizzare una giunzione mediante una fusione localizzata e una solidificazione, porto le parti da saldare a fusione dopo di che si fanno solidificare insieme. Saldatura a punti che utilizza l’effetto Joule, saldatura ossiacetilenica, saldatura ad arco, saldatura laser, saldatura elettronica, saldatura neutronica non ci entreremo nel dettaglio, parleremo di cosa succede dalla parte del materiale. Saldatura = fusione + solidificazione.

Non tutti i materiali possono essere saldati, altri materiali, in particolare le leghe di alluminio se si saldano, non si rompono, però perdono completamente le caratteristiche meccaniche. I durallumini, le leghe di alluminio, sono dei materiali a base alluminio, quindi estremamente leggeri (densità duralluminio siamo intorno ai 2,6-3 kg/m³, gli acciai siamo sui 7,8 kg/m³, con ordini di resistenza di 500-600 MPa, però nel momento che gli saldo diventano 50 MPa, infatti, ad esempio, le ali degli aerei quando erano in leghe di alluminio erano rivettate non saldate.

Produzione di acciaio

In Italia come produzione di acciaio siamo intorno ai 30 milioni di tonnellate all’anno, infatti siamo il secondo produttore europeo. Ci sono due strade per produrre l’acciaio (produzione siderurgica- sideros=ferro ossia acciaio): partendo dal minerale o partendo dal rottame. Le acciaierie da rottame stanno in montagna, vedremo il perché.

Il ferro è un elemento costosissimo, che a contatto con l’atmosfera si ossida; tutto ciò che noi chiamiamo ferro in realtà è acciaio. La differenza tra ferro e acciaio è che il ferro è un elemento chimico puro, l’acciaio è una ferrolega a base ferro con carbonio in percentuali variabili, lega con comportamento metallico.

Lezione del 30/09/2020

Gli acciai a basso tenore di carbonio, facilmente deformabili e con scarse caratteristiche meccaniche, quindi scarsamente legati (non ci sono elementi leganti) a volte vengono chiamati, volgarmente ed erroneamente, ferri, quindi il ferro è un materiale con scarse caratteristiche meccaniche facilmente deformabile. Quello che usualmente, in officina viene chiamato acciaio, ha caratteristiche meccaniche migliori resiste meglio ed è anche più pregiato e magari con la presenza di elementi leganti.

La cottura della vernice avviene a 175°C. Le leghe di alluminio ad alta resistenza hanno il problema dell’infragilimento dai idrogeno.

Lezione del 07/10/2020

Failure analysis: analisi delle deformità, per trovare il motivo del malfunzionamento. Lavorazione: scelta dei materiali in funzione dell’utilizzo e del processo. Il ferro per l’ingegnere non esiste perché altamente costoso; il ferro è un elemento puro, l’acciaio è una ferro lega con il carbonio. I materiali utilizzati sono tutti acciai ma quelli a basso tenore di carbonio a volte vengono chiamati erroneamente ferri perché sono facilmente deformabili.

Caratteristiche specifiche dei materiali metallici

• Riciclabili al 100% (insieme ai vetri)
• Lucentezza
• Deformabilità plastica
• Conducibilità termica ed elettrica

Ci sono tre stati di aggregazione della materia (4 con il plasma): solido, liquido e gassoso il passaggio da uno all’altro è condizionato da temperatura e pressione. Il mercurio a temperatura ambiente è liquido. L’alluminio fonde a 654°C. L’allumina è un materiale refrattario e fonde ad altissime temperature.

Il ferro puro fonde a 1537°C. Lucentezza: capacità dei materiali di riflettere la luce (cioè di essere uno specchio), è una proprietà tipica dei materiali metallici. La prima applicazione dei materiali metallici è stata quella degli specchi, la lucentezza dei materiali metallici è utile perché ci permette di indagare sulle caratteristiche del materiale. Il rame, dopo opportuni trattamenti, era trattato come specchio. Il materiale reagisce con l’ossigeno formando degli ossidi ed andando ad eliminare la lucentezza.

Il materiale metallico ha grande conducibilità termica, i termosifoni sono in ghisa, rame o in leghe di alluminio. Quando scaldiamo un materiale metallico si dilata, peggiora la sua capacità di condurre corrente, si ossida. Quando parleremo di conducibilità termica ed elettrica parleremo di meccanismi di corrosione per l’ossidazione.

Corrosione

Esistono due tipi di corrosione di tipo elettrochimico e la corrosione di tipo ossidativo dovuto alle alte temperature, la prima anche detta corrosione a umido la seconda corrosione a secco. Gli acciai che resistono meglio alla corrosione sono quelli inox. Gli acciai inox sono acciai costituiti da tenori di Cromo e Nichel, il cromo in quantità notevole almeno al di sopra del 13%, ovviamente può aumentare 20-30-40%, anche il nichel gioca un ruolo fondamentale. Chi garantisce l’inossidabilità agli acciai inox è il cromo. Se io aumento il tenore di Cromo e Nichel devo diminuire il tenore di Ferro fino a che, ad un certo punto, non possiamo più parlare di acciai inox ma parliamo delle superleghe. Gli acciai che vanno meglio contro la corrosione sono gli inox la loro evoluzione sono le superleghe.

Punto di unione fra conducibilità termica ed elettrica

Tecnologicamente possiamo utilizzare la resistenza elettrica per saldare. Le saldature sono uno dei mezzi più importanti di giunzione dei materiali metallici, e i materiali metallici sono gli unici, assieme ai vetri, che possono essere saldati. Saldatura: la saldatura è la realizzazione di una giunzione continua meccanicamente resistente metallica che avviene mediante fusione localizzata da una parte + solidificazione. Alcuni materiali metallici non possono essere saldati come alcune leghe di alluminio.

Trattamento termico

Tutti gli altri materiali: legno, materiali lapidei o materiali compositi possono essere incollati, chiodati, incastrati ma non possono essere saldati. Quando noi parliamo della saldatura non andiamo a parlare delle varie tecniche ma vediamo la risposta del materiale. Come si salda un materiale metallico? Scaldiamo, quindi parleremo degli effetti del riscaldamento (che cosa succede quando scaldiamo un materiale metallico), quando scaldo un materiale metallico questo si dilata e ciò comporterà una serie di conseguenze poiché la dilatazione non avviene simultaneamente in tutti i punti del materiale, la parte esterna è più calda e si dilata prima rispetto alla parte interna che è più fredda, e siccome c’è una continuità meccanica, il pezzo è un solido continuo, ciò porta alla nascita di tensioni.

Quando scaldo il materiale possono avvenire delle trasformazioni all’interno del materiale, si modificano le fasi e si modifica la struttura del materiale. Quando saldiamo il materiale arriva alla temperatura di fusione dopo di che deve solidificare (allora studieremo fusione e solidificazione) fusione e solidificazione ossia in altri termini le colate. Parleremo delle colate e dei lingotti. Lingotti: prodotti che si ottengono dalla lingottiera (la lingottiera è quel recipiente in cui viene messo il metallo fuso). Una volta che il materiale è solidificato si raffredda, si ritira, anche in questo caso possiamo avere cambiamenti di fase. Il raffreddamento può essere condizionato dalla velocità, posso raffreddare in modo estremamente lento, per esempio lasciando il pezzo in forno, o estremamente veloce, per esempio gettando il pezzo in qualche bagno liquido (acqua, olio, sali fusi) e ciò comporta diversi effetti sul materiale.

Nel raffreddamento dal punto di vista termico succede l’opposto del riscaldamento nel senso che le parti più fredde sono quelle esterne che tendono a contrarsi mentre le parti più calde sono le interne che si contraggono dopo, quindi c’è un Δ, un gradiente. Il ferro solidifica a 1537°C, gli acciai che sono delle leghe ferro – carbonio a temperatura inferiore. Riscaldamento + permanenza in temperatura + raffreddamento = trattamento termico.

Le caratteristiche finali di un materiale metallico sono date al 50% dalla composizione chimica (una lega di alluminio è differente da un bronzo, è differente da un acciaio, è differente da una ghisa, è differente da una lega di magnesio) e 50% dipende dal trattamento termico. Un Duralluminio può avere una resistenza di 500-550 MPa la stessa precisa e identica lega trattata in un altro modo può arrivare a 50 MPa, un decimo. Parleremo dei diagrammi di stato Fe-C (Cr, Ni). I diagrammi di stato mi fotografano la situazione del mio materiale, in condizioni di equilibrio (escludono la variabile tempo, tutte le trasformazioni hanno il tempo per seguire il principio cardine del minimo di energia), in funzione della temperatura e della composizione. Per vedere le fasi. Parleremo dei trattamenti termochimici superficiali. Parleremo del concetto di duttilità e fragilità.

Altra caratteristica specifica dei materiali metallici è la deformabilità plastica (un motore in vetro sarebbe fragile) (è la caratteristica più importante) dei materiali metallici ci porta a parlare degli acciai da profondo stampaggio, sono degli acciai che sfruttano la deformabilità plastica. Gli acciai da profondo stampaggio sono quelli più prodotti al mondo, la maggior produzione dell’acciaio è per acciai da profondo stampaggio. Il piombo, materiale metallico, si deforma facilmente. Il vetro è fragile ma molto resistente. La deformabilità plastica ci porta a parlare dei meccanismi di frattura: frattura duttile o fragile. Tutta la metallurgia si basa sul confronto e il compromesso tra l’avere leghe meccanicamente resistenti (elevato carico di rottura ed elevato carico di snervamento) e però più aumento il carico di rottura e il carico di snervamento più il materiale diventa fragile, resiste di più ma si deforma di meno, devo trovare il giusto equilibrio vedremo anche i meccanismi di rafforzamento, cioè vedremo quali fattori influiscono sulla frattura duttile e sulla frattura fragile. Facile aumentare il carico di rottura e di snervamento il problema è che poi il materiale diventa fragile. Certi materiali, soprattutto se esalto i meccanismi di rafforzamento, poi ho problematiche in saldatura, non li posso saldare o per lo meno perdo i benefici del meccanismo di rafforzamento.

Produzione dei materiali metallici

Parleremo della produzione dei materiali metallici, con cenni di termodinamica, diremo cos’è un altoforno, convertitore ecc… Parleremo delle proprietà magnetiche dei materiali metallici. Controlli non distruttivi come: controlli roengenografici, controlli ad ultrasuoni, controlli con metodi magnetici, controlli con metodi indotti, controlli con liquidi penetranti.

Altra caratteristica importante: i materiali metallici e i vetri sono riciclabili al 100%, molto importante perché quando progetto deve tenere conto che circa il 100% di un’autovettura dovrebbe essere riciclabile, quello che inquina è la produzione del cock, la coccheria, la trasformazione da carbon fossile a cock (che è il carbonio che mettiamo dentro). Vettura già progettata in base ad un end of life: cioè fine vita, la diffusione di materiali compositi in campo automobilistico è abbastanza ridotta perché i materiali compositi non sono riciclabili, la carrozzeria è riciclabile al 100%.

Parleremo dell’altoforno e convertitore ed è la classica acciaieria che parte dal minerale grezzo e arriviamo all’acciaio, alla bramma. Altro modo per produrre l’acciaio è l’acciaieria elettrica che va a rottami che significa riciclo ossia riduzione dell’impatto ambientale. Esistono anche tecniche di lavorazione che riducono l’impatto ambientale, il bilancio è sempre fatto su costi e benefici, in Svezia c’è un’acciaieria che va avanti ad Idrogeno. Una volta si utilizzavano bagni ad altissimi tenori di Cianuro, adesso 2-4% prima erano decimi superiori 40-50%.

Acciai innovativi HSLA

Il metallurgista deve utilizzare dei materiali che siano i più performanti, maggiore resistenza, in modo da impiegarne di meno ed alleggerire il peso dell’autovettura, ecco perché vengono introdotti questi acciai innovativi HSLA: high strength low allowery (HSLA) acciai alto resistenti basso legati. Una normale carrozzeria, acciai da profondo stampaggio la resistenza è intorno ai 200-300MPa, con questi acciai HSLA si supera tranquillamente i 1000 MPa e si può realizzare un notevole alleggerimento. Addirittura, oltre questi acciai si inizia ad utilizzare l’alluminio in campo automobilistico, vero che con l’alluminio alleggerisco il peso della vettura quindi mi salvo dalle norme però non ho risolto il problema dell’impatto ambientale perché devo vedere anche come si realizza l’alluminio per l’impatto ambientale. Stanno prendendo trattamenti chimici in vuoto che ha senso in pochi casi e sono molto costosi, tecnologia dell’alta pressione, ad esempio stampi per materie plastiche, però non inquina.

Lega

Definizione di lega: la lega è un materiale che ha caratteristiche metalliche. Per realizzare una lega è necessario partire dai metalli. Ad esempio, l’acciaio è una ferrolega (lega a base di ferro, che è un metallo, al carbonio (oltre al in un acciaio o in una ghisa è presente il carbonio, che non è un metallo)); possono essere presenti anche degli elementi non metallici, ad esempio, l’acciaio e la ghisa sono ferro leghe al carbonio (che non è un metallo).

Definizione: la lega è un materiale metallico con caratteristiche metalliche (lucentezza, conduce calore e corrente, deformabilità plastica, anche alcune caratteristiche magnetiche, etc…) nella quale possono essere presenti degli elementi non metallici. Definizione di metallo: i metalli sono quelli elementi che si trovano a sinistra della tavola periodica a parte l’idrogeno che non è un metallo. A destra ci sono gli elementi non metallici o metalloidici.

La caratteristica principale che hanno i metalli è quella di cedere elettroni, mentre quella dei non metalli è quella di acquisire elettroni. Poi esistono casi particolari come il Rame e lo Zinco dove lo Zinco cede elettroni ma il Rame li prende. Il metalloide è l’elemento che riceve elettroni. Gli elementi metallici del primo gruppo hanno tutti gli orbitali completi tranne 1 elettrone nell’orbitale S del livello superiore, nel secondo gruppo due elettroni liberi nell’orbitale S, i metalli tendono a cedere questi elettroni per arrivare alla configurazione dei gas nobili (non reagiscono nemmeno con sé stessi) perché sono alla configurazione ottezziale. Ad esempio, il cloro e il sodio reagiscono tra di loro, legame ionico; se abbiamo metallo con metallo, tipo sodio con sodio, non c’è nessuno che possa prendere in modo stabile l’elettrone qui si instaura il legame metallico. Il legame metallico è il “compendio” tra legame ionico e legame covalente. Nel legame ionico c’è un elemento metallico che cede elettroni e l’elemento non metallico li prende. Nel legame covalente, non metallo con non metallo, gli elettroni vengono utilizzati simultaneamente. Nel caso del legame metallico c’è la cessione degli elettroni, cioè c’è la parte ionica, però poi saranno condivisi da tutti gli altri atomi, parte covalente (parte condivisiva), nuvola elettronica gli elettroni non sono vincolati possono muoversi. Nel legame ionico e covalente gli elettroni non possono muoversi, sono vincolati agli atomi.

Nel caso del legame metallico gli elettroni non sono vincolati, possono muoversi, secondo i dettami della meccanica quantistica ed identificati con la loro energia, si possono muovere in spazi a loro energeticamente concessi. Definizione elettrone: l’elettrone è un’entità (“una particella”) dotata di una certa energia. L’elettrone si trova in certe zone probabilisticamente migliori, chiamate orbitali la caratteristica...