Tecnologia dei materiali

Tecnologia dei Materiali

Domande e risposte — Prof. Galvanetto

1

Indice

Parte 1 — Struttura dei materiali e loro proprietà ............................................................................................ 4

1.1 Classificazione dei materiali: metalli, ceramici, polimeri ........................................................................ 4

1.2 Difetti del reticolo cristallino e loro effetto sulle proprietà .................................................................... 4

Difetti di punto (0 dimensionali) ............................................................................................................... 4

Difetti di linea (dislocazioni) ...................................................................................................................... 5

Difetti planari (di superficie) e difetti di volume ....................................................................................... 6

1.3 Diffusione nei solidi ................................................................................................................................. 6

1.4 Trasformazioni diffusive: nucleazione e accrescimento.......................................................................... 8

Nucleazione omogenea ............................................................................................................................. 8

Nucleazione eterogenea ............................................................................................................................ 8

Crescita dei grani ....................................................................................................................................... 8

1.5 Analisi delle strutture cristalline: diffrazione a raggi X ............................................................................ 8

Parte 2 — Comportamento meccanico dei materiali ...................................................................................... 11

2.1 Comportamento elastico, plastico e a rottura; taglio, pressione idrostatica, modulo di Poisson ........ 11

2.2 Prova di trazione: sistema nominale e sistema reale ............................................................................ 13

2.3 Prova di resilienza (Charpy) e prova di durezza..................................................................................... 15

2.4 Meccanica della frattura: modi di sollecitazione e tenacità a frattura ................................................. 16

2.5 Rottura per fatica .................................................................................................................................. 17

2.6 Creep e creep-rottura ............................................................................................................................ 18

2.7 Metodi di rafforzamento dei materiali metallici ................................................................................... 18

Parte 3 — Metallurgia degli acciai ................................................................................................................... 19

3.1 Diagramma ferro-carbonio: fasi e strutture .......................................................................................... 19

3.2 Cinetiche di trasformazione: diagrammi TTT e CCT .............................................................................. 19

3.3 Indurimento per precipitazione delle leghe metalliche ........................................................................ 22

3.4 Trattamenti termici degli acciai ............................................................................................................. 22

Trattamenti sopra la temperatura critica ................................................................................................ 23

Trattamenti sotto la temperatura critica ................................................................................................ 23

Trattamenti che coinvolgono tempra e rinvenimento ............................................................................ 24

Trattamenti termochimici di diffusione .................................................................................................. 24

3.5 Prova Jominy e temprabilità .................................................................................................................. 24

3.6 Classificazione degli acciai, delle ghise e delle leghe non ferrose ......................................................... 24

Acciai al carbonio ..................................................................................................................................... 24

Acciai inossidabili ..................................................................................................................................... 25

Ghise ........................................................................................................................................................ 25

Leghe non ferrose .................................................................................................................................... 25

Parte 4 — Siderurgia e industria petrolchimica .............................................................................................. 27

4.1 Altoforno e produzione della ghisa ....................................................................................................... 27

4.2 Dalla ghisa all’acciaio: elaborazione e messa in forma ......................................................................... 28

2

4.3 Combustibili: classificazione e caratteristiche ....................................................................................... 29

Combustibili solidi ................................................................................................................................... 29

Combustibili liquidi .................................................................................................................................. 29

Combustibili gassosi ................................................................................................................................ 29

4.4 Potere calorifico e temperatura di combustione .................................................................................. 30

4.5 Distillazione del petrolio (Topping) ....................................................................................................... 31

Parte 5 — Corrosione dei materiali metallici .................................................................................................. 33

5.1 Definizione, morfologie e meccanismi generali .................................................................................... 33

5.2 Corrosione a secco e a umido: aspetti termodinamici e cinetici ........................................................... 34

Corrosione a secco ................................................................................................................................... 34

Corrosione a umido: la cella galvanica .................................................................................................... 35

5.3 Forme particolari di corrosione ............................................................................................................. 36

5.4 Diagramma di Pourbaix ......................................................................................................................... 37

5.5 Diagramma di Evans .............................................................................................................................. 38

5.6 Protezione dalla corrosione ................................................................................................................... 39

Parte 6 — Durezza dell’acqua e addolcimento ............................................................................................... 40

Parte 7 — Glossario riassuntivo delle grandezze principali ............................................................................ 41

3

Parte 1 — Struttura dei materiali e loro proprietà

1.1 Classificazione dei materiali: metalli, ceramici, polimeri

In base alla struttura chimica, i materiali solidi si classificano in tre categorie principali: metalli, ceramici e

polimeri, a cui si aggiungono i materiali compositi, combinazione di due o più materiali appartenenti alle

classi precedenti.

I metalli sono composti da uno o più elementi metallici (Fe, Al, Au, Pb, Ni, ecc.), spesso in lega con piccole

quantità di elementi non metallici (C, N, O). Gli atomi che costituiscono il solido metallico sono tenuti insieme

dal legame metallico, un legame adirezionale in cui gli elettroni di valenza non sono associati a un particolare

atomo ma si distribuiscono liberamente in tutto il solido (teoria del "mare di elettroni"). Gli atomi sono

disposti in modo regolare e ripetuto, a costituire un materiale cristallino; le strutture cristalline più diffuse

nei metalli sono cubica a facce centrate (CFC), cubica a corpo centrato (CCC) ed esagonale compatta (HCP). I

metalli sono relativamente densi, spesso duttili, buoni conduttori termici ed elettrici grazie alla "nuvola" di

elettroni liberi, e alcuni sono magnetici (es. Fe).

I ceramici sono composti formati da elementi metallici e non metallici (ossido di alluminio, carburo di silicio,

nitruro di silicio, porcellana, cemento, vetro, ecc.), tenuti insieme prevalentemente da legami ionici: gli ioni

metallici (cationi) sono carichi positivamente, quelli non metallici (anioni) negativamente. La struttura

cristallina dipende dall’entità di carica e dal raggio di ciascuno ione. I ceramici sono generalmente duri ma

fragili, con elevata resistenza alle alte temperature e buone proprietà di isolamento termico ed elettrico.

I polimeri, che costituiscono materie plastiche e gomme, hanno una struttura di catene molecolari molto

lunghe, spesso voluminosa; possono essere cristallini o amorfi a seconda della regolarità delle catene. Le

proprietà meccaniche non sono particolarmente elevate (né molto rigidi né molto resistenti), alcuni sono

estremamente duttili, e uno svantaggio tipico è la decomposizione a temperature relativamente basse.

1.2 Difetti del reticolo cristallino e loro effetto sulle proprietà

Nessun materiale reale è privo di difetti: anche se in quantità minime, nei reticoli cristallini sono sempre

presenti imperfezioni, classificate in base alla loro dimensionalità geometrica in difetti puntuali (0D), difetti

di linea (1D), difetti planari o di superficie (2D) e difetti di volume (3D). Questi difetti influenzano in modo

determinante le proprietà meccaniche, elettriche e di trasporto del materiale.

Difetti di punto (0 dimensionali)

I principali difetti puntuali sono:

● Vacanza: sito reticolare in cui l’atomo è assente; gli atomi vicini tendono a muoversi scambiandosi

con gli atomi adiacenti, generando una mobilità atomica. Le vacanze si formano per solidificazione,

per riarrangiamenti atomici o per bombardamento con particelle energetiche (es. neutroni), e la loro

concentrazione all’equilibrio dipende esponenzialmente dalla temperatura: N_v = N_s · e^(−Q_v /

k_B T), dove N_v è il numero di vacanze in condizioni di equilibrio, N_s il numero di posizioni

reticolari, Q_v l’energia necessaria a formare la vacanza e k_B la costante di Boltzmann. Le vacanze

non di equilibrio tendono a formare addensamenti (porosità/inclusioni).

● Difetto autointerstiziale: un atomo della matrice si colloca in posizione interstiziale tra gli atomi del

reticolo; provoca una notevole distorsione perché l’atomo è molto più grande dello spazio

interstiziale disponibile. Non si genera spontaneamente ma tipicamente a seguito di irraggiamento;

la sua presenza è molto più limitata rispetto a quella delle vacanze.

4

● Atomo di impurezza sostituzionale o interstiziale: un atomo estraneo occupa, rispettivamente, un

sito reticolare al posto dell’atomo ospite oppure uno spazio interstiziale (vuoto). Queste impurezze

sono spesso introdotte intenzionalmente per aumentare la durezza del materiale (rafforzamento per

soluzione solida). Per le strutture CFC e CCC esistono due tipi di siti interstiziali: tetraedrici (numero

di coordinazione 4) e ottaedrici (numero di coordinazione 6).

● Difetto di Frenkel: in un cristallo ionico, un catione autointerstiziale è associato alla vacanza

dell’anione da cui proviene.

● Difetto di Schottky: in un cristallo ionico, la vacanza di un catione è associata alla vacanza di un

anione, in modo da mantenere la neutralità elettrica.

Fig. 1 – Difetti puntuali: (a) vacanza, (b) atomo interstiziale, (c) sostituzionale piccolo, (d) sostituzionale grande, (e) difetto di

Frenkel, (f) difetto di Schottky.

La presenza di difetti di punto, in particolare le vacanze, rende possibile il fenomeno della diffusione per

vacanze (vedi §1.3).

Difetti di linea (dislocazioni)

Le dislocazioni sono difetti in cui gli atomi non sono correttamente posizionati rispetto al reticolo perfetto;

si creano durante la solidificazione, per deformazione plastica, per addensamento di vacanze o per

disadattamento atomico. Sono difetti fuori equilibrio che immagazzinano energia elastica nella regione

distorta attorno alla linea di dislocazione. Se ne distinguono tre tipi:

● A spigolo: è presente un semipiano aggiuntivo di atomi che si insinua nel reticolo; la distanza di

scostamento è descritta dal vettore di Burgers, perpendicolare alla linea di dislocazione. Gli atomi

sopra il semipiano aggiuntivo si trovano in compressione, quelli sotto in trazione.

● A vite: la distorsione del reticolo ha forma di rampa a spirale; nasce tipicamente dall’applicazione di

sforzi di taglio. Il vettore di Burgers è parallelo alla linea di dislocazione; la regione distorta interessa

un diametro pari a quello di più atomi, in cui è immagazzinata energia di taglio.

● Mista: presenta componenti sia a spigolo sia a vite; è il tipo più comune nei materiali reali.

Quando una sollecitazione di taglio viene applicata, la dislocazione si sposta di un vettore di Burgers alla volta

nella direzione di scorrimento (slip plane): il movimento continuo della dislocazione produce uno scorrimento

a gradino e il cristallo si deforma plasticamente — è questo il meccanismo fondamentale della deformazione

plastica dei metalli (analogo al movimento di un bruco).

5

Fig. 2 – Meccanismo di scorrimento di una dislocazione a spigolo sotto sforzo di taglio.

La presenza di numerose dislocazioni diminuisce l’elasticità del materiale ma ne aumenta la durezza e la

resistenza, poiché le dislocazioni interagiscono fra loro e con altri difetti ostacolandosi reciprocamente nel

movimento (principio alla base dell’incrudimento, vedi §2.8).

Difetti planari (di superficie) e difetti di volume

I difetti planari comportano la presenza di interi piani cristallini difettati:

● Superfici esterne: i confini del cristallo, dove la periodicità del reticolo si interrompe.

● Bordi di grano: separano cristalli (grani) di diverso orientamento in un aggregato policristallino; si

formano durante la solidificazione quando i grani, cresciuti simultaneamente da nuclei diversi, si

incontrano. Sono zone a simmetria irregolare in cui gli atomi sono disposti in modo da favorire il

legame fra i due grani; risultano chimicamente più reattivi dei grani stessi (più facile la segregazione

di impurezze e la corrosione) e diminuiscono la conduzione elettrica. All’aumentare dei bordi di grano

(grano più fine) aumentano tipicamente durezza e tenacità, in quanto costituiscono una barriera al

movimento delle dislocazioni.

● Bordi di geminato: orientazione speculare non corretta di una porzione di reticolo, considerata come

difetto di superficie.

● Difetti di impilamento: impilamento sbagliato (fuori sequenza) dei piani atomici.

● Bordi a basso angolo: disposizione ordinata di dislocazioni che formano un accoppiamento angolare

debole fra due regioni del cristallo.

I difetti di volume sorgono quando un gruppo di difetti di punto si unisce, formando uno spazio vuoto: danno

luogo a inclusioni, porosità e macroporosità, che riducono la resistenza a fatica e possono innescare la

propagazione delle cricche.

1.3 Diffusione nei solidi

Alla base di molti trattamenti termici e metallurgici vi è la diffusione, cioè il trasferimento di atomi (e quindi

di massa) all’interno di un solido. Prendendo due barre metalliche di materiale diverso (ad es. Cu e Ni) a

contatto e mantenute a temperatura elevata (ma inferiore a quella di fusione), col tempo gli atomi di un

6

metallo si mescolano nell’altro: questo fenomeno è detto interdiffusione. Se invece la diffusione avviene fra

atomi dello stesso metallo (senza variazione di composizione chimica) si parla di autodiffusione.

Nei solidi, la diffusione avviene per migrazione di atomi da una posizione reticolare a un’altra, secondo due

meccanismi principali:

● Diffusione per vacanze (o sostituzionale): gli atomi si spostano da una posizione reticolare a una

vacanza adiacente. Dipende dal numero di vacanze presenti nel reticolo, che a sua volta dipende

dalla temperatura: all’aumentare della temperatura aumentano le vacanze e quindi la probabilità (e

la velocità) di diffusione.

● Diffusione interstiziale: gli atomi (tipicamente piccoli, come il carbonio) si spostano da un sito

interstiziale a un altro senza spostare permanentemente gli atomi della matrice; è generalmente più

veloce della diffusione per vacanze, poiché non richiede la presenza di un difetto puntuale nel sito di

arrivo.

Fig. 3 – Meccanismi di diffusione allo stato solido: per vacanze (sinistra) e interstiziale (destra).

La diffusione può essere stazionaria o non stazionaria. Nel primo caso la massa che entra in un volume è

uguale a quella che ne esce (nessun accumulo netto), e vale la prima legge di Fick:

J = − D · (dC/dx)

dove J è il flusso (o corrente netta) di atomi, D è il coefficiente di diffusione (diffusività) e dC/dx è il gradiente

di concentrazione; il segno negativo indica che il flusso avviene dalla concentrazione più alta verso quella più

bassa. Nel caso non stazionario, in cui la concentrazione in ogni punto varia col tempo, si applica invece la

seconda legge di Fick: ∂C/∂t = ∂/∂x ( D · ∂C