Appunti completi per l'esame di Chimica e tecnologia dei materiali

(P

m=numero delle variabili agenti e T , sono sempre due)

Solidificazione di un metallo puro

Consideriamo il raffreddamento di un metallo puro A e indichiamo con TsA la

temperatura di solidificazione di questo metallo. Al di sopra di TsA il metallo è

allo stato liquido, a TsA inizia lo stato di solidificazione. In questo caso il numero

delle fasi è due (liquido e solido) e la varianza è v= 1+1-2=0

Miscibilità allo stato liquido

Allo stato liquido abbiamo tre possibilità: completa miscibilità, parziale

miscibilità e completa immiscibilità.

Diagrammi di stato binari

Consideriamo le miscele formate da due elementi e procediamo analizzando

solo questo tipo di miscele binarie. Questi sistemi possono essere studiati

attraverso i diagrammi di Stato binari. I sistemi binari nella formula della regola

pressione

Ci=2, per cui V=Ci+m-f. Un diagramma binario viene tracciato a

costante , riportando sull'asse delle ascisse la composizione della miscela e

sull'asse delle ordinate la temperatura. Muovendosi in orizzontale, quindi, si

hanno percentuali crescenti della componente B, fino ad avere solo la

componente B. Sul diagramma vengono tracciate le esistenze delle diverse fasi

in base alle variabili considerate. Fissate quindi temperatura e composizione.

La lettura del diagramma ci consente di valutare il numero di fasi, quali sono

queste fasi, la loro composizione e la quantità relativa di ogni fase.

Tutti i metalli e le leghe metalliche sono miscibili allo stato liquido. Allo stato

solido invece si hanno tre possibilità, completa miscibilità o immiscibilità

allo stato solido o parziale miscibilità allo stato liquido. Spesso è utile

rappresentare a fianco la curva TT, ovvero quella che prende in considerazione

tempo e temperatura e di una finestra di controllo che ci permette un'analisi

della microstruttura e della sua evoluzione con il raffreddamento da cui poi si

evidenziano le componenti strutturali.

Miscibilità completa allo stato solido

Consideriamo due metalli A e B e i loro diagrammi T, ciascuno con le proprie

temperature di solidificazione. Vogliamo miscelare questi elementi sapendo che

sono completamente miscibili allo stato solido. Abbiamo una linea superiore e

una linea inferiore che chiameremo liquidus e solidus, cioè i luoghi geometrici

dove inizia e finisce la solidificazione. La solidificazione avviene in

corrispondenza degli assi verticali in un punto solo dove le temperature si

toccano. La zona tratteggiata è la zona solida monofasica a cui per

convenzione si dà la lettera greca alfa. Data la completa miscibilità, la zona

Alfa occupa l'intera zona bassa del diagramma. Al di sopra della linea di

Liquidus c'è solo la fase liquida, mentre le due linee sono presenti in entrambe

le fasi.

Analisi di una particolare lega nella miscibilità totale

Se si vuole analizzare una particolare Lega, cioè una miscela di A e B con B

definito in percentuale, esempio 30%, traccio una linea verticale in

corrispondenza della composizione e si può sostituire l'evoluzione delle fasi.

Notiamo che alla temperatura T1 tutto il sistema è liquido con varianza 2. Alla

T2, Inizia la solidificazione e cambia la pendenza del grafico. A T3 trovo un

intervallo di solidificazione e sono presenti due fasi sia solida che liquida e la

varianza è uno. Tracciando delle linee verticali possiamo conoscere la

composizione liquida e solida.

Regola della leva

Ci manca solo sapere la quantità delle fasi presenti nell'intervallo di

solidificazione e usiamo la regola della leva.

Caratteristiche degli elementi di miscela per completa

solubilità

La completa solubilità avviene quando le leghe si formano per soluzione solida

sostituzionale. Questo avviene quando gli elementi diversi hanno dimensioni

atomiche simili, quando gli elementi hanno uguale valenza, quando gli

elementi solidificano con analoga struttura cristallina. Sono tipici della

completa miscibilità in rame o le leghe oro-argento.

Completa immiscibilità allo stato solido

Rappresentiamo il caso di leghe binarie tale per cui i due elementi A e B, che in

fase liquida sono perfettamente miscibili, rimangono invece separati una volta

che la massa metallica si è solidificata.

Le differenze con il precedente diagramma sono evidenti. La linea di solidus è

orizzontale e prende il nome di linee eutettica. la zona sotto la linea di Solidus è

bianca, poiché non è più un monofasi, ci sono due fasi, le monofasi coincidono

solo con gli assi verticali di bordo, in cui A è il 100%, e B il 100%. La linea di

liquidus è spezzata e si unisce in un solo punto con quella di solidus, con una

concentrazione specifica detta eutettica. La concentrazione eutettica

rappresenta la composizione del sistema che fonde alla temperatura più bassa

rispetto a qualsiasi altra composizione considerata. Essa è caratterizzata anche

da un'unica temperatura di fusione. La presenza di due intervalli di

solidificazione diversi a destra e a sinistra, in cui sono presenti liquido più

metallo A e liquido più metallo B. La totale immiscibilità significa che allo stato

solido i due metalli formano reticoli cristallini distinti.

Solidificazione Lega a concentrazione eutettica

Nel caso in cui la Lega in considerazione abbia concentrazione eutettica.

Componenti strutturali

Le componenti strutturali sono quelle che permettono di rappresentare come le

fasi presenti siano organizzate nello spazio. Le fasi sono dunque assemblate a

formare le microstrutture della massa metallica a quella da temperatura. I

singoli e diversi mattoncini che compongono la microstruttura sono definiti

componenti e strutturali. In una situazione di totale immiscibilità si presentano

in questo modo.

a) Nella trasformazione eutettica:

- Per T > Te: 1 fase (liquida) e 1 componente strutturale (liquido eutettico)

- Per T = Te: 3 fasi (liquida+A+B) e 2 componenti strutturali (liquido

eutettico + cristalli lamellari)

- Per T < Te: 2 fasi (A+B) e 1 componente strutturale (cristalli lamellari)

b) Nella trasformazione ipoeutettica e ipereutettica

- Per T > T1: 1 fase (liquida) e 1 c.s. (liquido eutettico)

- Per Te < T < T2: 2 fasi (liquida+A) e 2 c.s. (liquido eutettico + cristalli di

A)

- Per T = Te: 3 fasi (liquido + A + B) e 3 c.s. (liquido eutettico+ cristalli di A

+ cristalli lamellari)

- Per T < Te: 2 fasi (A+B) e 2 c.s. (cristalli di A + cristalli lamellari)

Parziale miscibilità allo stato liquido

Si presentano due zone in cui sono presenti due fasi solide, monofasi, Alfa e

beta. La fase Alfa e a basso contenuto di beta, B=20%, caso limite di B in A, La

fase beta è a basso contenuto di A, B=90%, limite di solubilità di A in B. I

segmenti verticali vengono detti solvus, mentre la linea di solidus è sempre

orizzontale, in corrispondenza di Te la temperatura eutettica.

Al di sotto di Te abbiamo la zona di immiscibilità completa. Questo ci consente

di capire come gestire le trasformazioni in base alle differenti concentrazioni di

B, al di fuori della linea di solvus miscibilità completa all'interno la completa

immiscibilità.

A seconda della zona in cui sono, valgono considerazioni esposte per gli altri

due tipi di diagrammi di Stato binari.

Parziale miscibilità con miscelamento singolo

È il caso in cui la linea di solvus risulta inclinata. La fase alfa diminuisce

progressivamente il contenuto limite dell’elemento B al proprio interno, da 20%

a Te al 10% a Temperatura ambiente.

Trasformazione eutettoidica

Nel caso di una linea orizzontale più bassa di quella corrispondente alla

temperatura eutettica, Siamo in presenza di una trasformazione eutettoidica. È

una trasformazione che avviene in presenza di fasi tutte solide.

Altri casi di miscibilità parziale: trasformazione peritettica

Vi sono altri casi supportati nel campo della miscibilità parziale, una è la

trasformazione peritettica. In questo caso al posto dell'orizzontale eutettica Si

presenta la trasformazione orizzontale della peritettica. Il diagramma ha una

caratteristica che accomuna tutti i tipi paritetici e della presenza della curva di

liquidus al di sotto della trasformazione orizzontale zero-Variante. La linea

peritetticva separa le zone L + Alfa da L + beta e Alfa + beta. La

concentrazione corrispondente al punto P è detta concentrazione peritettica.

Per regole valide per gli altri diagrammi sono confermate anche in questo.

PRODUZIONE DEI MATERIALI METALLICI

La produzione inizia con processi metallurgici, due tipi: primari quando si parte

dai minerali che contengono gli ossidi del metallo, e secondari quando si parte

dai rottami. Concentriamoci sulla metallurgia dei materiali ferrosi, ovvero acciai

e ghise. La metallurgia del ferro è chiamata siderurgia. Il processo primario

della siderurgia usa l'altoforno, quello secondario usa invece il forno elettrico.

Siderurgia integrale primaria

Il minerale del ferro viene sottoposto a frantumazione e vagliatura. Poi si passa

in un altoforno insieme ad altri due elementi: coke di carbone (con funzione

legante, riducente e combustibile) e calcare con funzione fondente. All'interno

dell'altoforno si producono reazioni di riduzione del ferro dalla forma ossidata a

quella metallica:

+3

Fe O CO → 2 Fe+ 3CO

2 3 2

Il risultato è ad alto tenore di carbonio e quindi abbiamo una ghisa. Per

ottenere l'acciaio, invece, è necessario ridurre il tenore di carbonio mediante

l'insufflazione di ossigeno, Che reagisce con il carbonio per formare l'anidride

carbonica. Poi il tutto passa in un contenitore chiamato Siviera e infine viene

colato. A questo punto il calcare, introdotto insieme ai minerali minori,

galleggia nella ghisa perché è più leggero. Raffreddato tempestivamente fora la

loppa granulata che si usa come aggiunta nei cementi.

Siderurgia secondaria

Questa si basa sull'utilizzo dei forni elettrici che forniscono energia per la

fusione. Usa i rottami che vengono fusi con l'uso dell'arco elettrico. Dal forno,

dopo i trattamenti come l'aggiunta di additivi, ferro, leghe e insufflazione di

ossigeno, passa nuovamente in siviera e viene poi colato.

Impianti di colata

La solidificazione è ottenuta mediante due tecnologie, la colata in

lingottiera, cioè l'acciaio fuso dalla Siviera, viene colato in lingotti, se dopo

devono fare ulteriori lavorazioni prima di arrivare al semilavorato, e la colata

continua che consente di ottenere già semilavorati e consente un

raffreddamento più rapido, con maggiore velocità di nucleazione e un aumento

del numero di grani cristallini e riduzione della loro dime