Appunti Metallurgia

Per l’innesco di entrambi i fenomeni bisogna superare una temperatura critica, i fattori determinanti sono

tempo, temperatura e la deformazione a freddo iniziale. Lo stato di incrudimento del materiale è infatti molto

importante per sapere il livello di energia che il componente possiede per sapere la densità dei difetti del

materiale. L’energia accumulata è necessaria per dare inizio ai fenomeni di recupero e ricristallizzazione.

Entrambi i fenomeni sono statici. Nel caso del piombo la ricristallizzazione avviene allo stesso tempo della

deformazione ed è quindi chiamata dinamica. Le temperature di ricristallizzazione delle leghe metalliche sono

più elevate di quelle dei metalli puri a causa degli elementi di lega.

Se si raggiunge una temperatura che è circa il 30-50% della temperatura assoluta di fusione si ha il fenomeno

di creep (scorrimento viscoso a caldo), a questo livello le condizioni sono tali per cui se i metalli sono

sottoposti a sforzi costanti, anche se minori del limite di snervamento, essi si deformano progressivamente

con anche la possibilità di rompersi. Il rischio di creep dipende dal tipo di materiale. La temperatura critica

oltre la quale questo fenomeno può avvenire dipende principalmente dalla temperatura di fusione del

metallo base.

Il comportamento del materiare può essere studiato attraverso la prova di creep che consiste nel misurare,

per temperature differenti, l’allungamento, monitorato continuamente,

che il provino subisce. La macchina per eseguire la prova è molto semplice

e permette di variare sia carico che temperatura che agisce sulla provetta

situata all’interno di un forno. Il provino ha una forma simile a quella della

prova di trazione a meno di un’incisione o di un collarino che permettono

il fissaggio del sistema di misura dell’allungamento. Esso viene scaldato

tramite l’utilizzo di resistenze poste attorno. Gli afferraggi dei provini sono

filettati per l’inserimento negli adattatori della catena di carico. La misura dell’allungamento avviene tramite

sistemi LVDT (linear variable differential transformer) esterni al forno, l’estensimetro può essere applicato al

provino solo in prove a bassa temperatura e in alcuni casi si ricorre anche a misure di tipo ottico.

L’allungamento viene monitorato costantemente. La prova di creep è svolta secondo delle normative che

vincolano la calibrazione delle termocoppie, la geometria del campione e anche la rappresentazione dei dati.

La deformazione è calcolata come la variazione di lunghezza diviso la lunghezza iniziale. La rappresentazione

dei dati avviene attraverso la curva di scorrimento, la cui origine non è

nell’origine degli assi poiché il provino subisce una deformazione elastica

istantanea che lo modifica, essa viene suddivisa in tre regioni, in quanto

la velocità di deformazione non aumenta in modo costante:

- creep primario: velocità di deformazione decrescente

- creep secondario: velocità di deformazione costante, diventa

una retta, anche detto creep stazionario

- creep terziario: velocità di deformazione crescente fino ad

arrivare a rottura

Il fenomeno principalmente studiato è il creep secondario a causa della sua durata elevata, la quale permette

di studiare il tempo necessario per la rottura del provino. In questo punto si hanno due fenomeni dinamici

contrapposti, contemporanei: l’incrudimento e la ricristallizzazione. Gli altri sono fenomeni transitori che

permettono il raggiungimento di una condizione di equilibrio. Inizialmente prevale l’incrudimento che frena

la deformazione, nel regime stazionario si raggiunge un equilibrio tra i due, e nel creep terziario si manifesta

il danneggiamento del materiale. La pendenza dl tratto stazionario permette di definire se il materiale resiste

bene o male al creep (se la pendenza è maggiore il materiale resiste

meno). Se si aumenta il carico a cui è sottoposto il provino allora la

curva avrà inclinazione maggiore, la deformazione iniziale infatti cresce

in funzione del livello di sollecitazione applicata. Anche aumentando la

temperatura si ha lo stesso effetto se si è a parità di carico applicato. La

prova di creep è molto costosa a causa dei lunghi tempi necessari per

terminarla. Le curve vengono spesso disegnate tramite una doppia

scala logaritmica. Se la deformazione è eccessiva il comportamento del

materiale è compromesso.

Se si eseguono delle prove a temperatura costante ma a carico variabile

si possono ottenere le curve sollecitazione-tempo di rottura t poiché in

r

molti casi è più importante conoscere il tempo necessario per

raggiungere una determinata deformazione.

Le prove di creep possono essere estremamente lunghe e perciò si sono stabiliti dei parametri che

permettono di ottenere risultati anche per prove più brevi. Il parametro di Larson-Miller P, il quale fu

introdotto per lo studio del rinvenimento ma applicabile anche per il creep, permette di combinare il tempo

(

∗ + log ) = ()

di rottura e la temperatura alle sollecitazioni che la provocano: dove C=20 è una

costante, l’influenza maggiore è quella della temperatura. La correlazione tra P e lo sforzo σr deve essere

determinata sperimentalmente per ogni materiale e viene chiamata master curve, quando essa è nota è

possibile prevedere la durata o il carico di rottura dei componenti. Fissando lo sforzo e la temperatura può

essere trovato il tempo o viceversa. Questo parametro permette di ottenere lo stesso valore di P per aumenti

di temperatura notevoli ma mantenendo un tempo di prova basso. I principali meccanismi di danneggiamento

da creep comprendono dei microdanneggiamenti dei bordi di grano, a causa della separazione della

dislocazione in più componenti, dove si presentano la formazione di fratture intergranulari per microcricche

a cuneo (temperature basse e alti carichi) o microcavità sferiche (temperature alte e bassi carichi).

Corrosione dei metalli

La corrosione è un fenomeno elettrochimico che comporta il degrado dei metalli che si manifesta durante

l’esercizio dei componenti in ambienti specifici, in particolare quella in umido avviene in presenza di una fase

liquida; questo processo tende a riportare i metalli al loro stato termodinamicamente più stabile che ha una

reazione maggiore soprattutto con l’ossigeno. La corrosione è un fenomeno spontaneo ma negativo in quanto

comporta il decadimento tecnologico del componente che inizialmente perde le caratteristiche estetiche e in

seguito perde le sue proprietà. Generalmente quando un componente viene posto in un determinato

ambiente si possono avere 3 interazioni differente: passività, in cui il metallo reagisce con l’ambiente fino alla

formazione di ossido impermeabile che lo protegge dalla corrosione, avviene generalmente quando nella lega

si ha più del 12% di cromo; immunità nella quale non si hanno interazioni; corrosione che comporta

l’interazione del metallo con l’ambiente che lo consuma nel tempo. Ciò che si forma come prodotto di

corrosione è idrossido, quello più problematico è OH che non si arresta alla superficie ma continua a

3

consumare il componente nel tempo.

Nella corrosione sono sempre presenti due specie chimiche differenti: ossidante, ossia l’ambiente, e riducente

ossia il metallo che si ossida. Il luogo in cui avviene l’ossidazione è l’anodo mentre il luogo in cui avviene la

riduzione è il catodo. Le due semireazioni so all’equilibrio e perciò reversibili, per questo devono essere

sempre combinate per consumare gli elettroni. Nei posti in cui si concentra la reazione anodica si formano

anche buchi strutturali in quanto il metallo viene consumato, in quella catodica vengono consumati solo gli

elettroni ma il processo di corrosione è uguale in tutta la superficie. I due fattori che influenzano

principalmente la corrosione sono il potere ossidante dell’ambiente, ossia la sua concentrazione di ossigeno

e specie acide, e la stabilità del metallo che indica la facilità con la quale esso tende a perdere elettroni. I

metalli possono quindi dividersi in metalli attivi, i quali si corrodono facilmente, e metalli nobili i quali

resistono alla corrosione.

Durante la reazione di corrosione si possono calcolare le differenze di potenziale elettrico tra le due specie

tramite l’utilizzo dell’accoppiamento galvanico, si stabilisce che a causa della diversa

nobiltà dei metalli si instaura una corrente dovuta al movimento delle cariche; viene

quindi determinato un elettrodo di riferimento per la comparazione della nobiltà dei

metalli ossia l’elettrodo standard ad idrogeno (standard perché si usano tutte

condizioni standard, l’elettrodo è di platino ma è volto solo a prestare la superficie

metallica dove avviene la reazione). Il potenziale di cella viene misurato accoppiando

un metallo a questo elettrodo e viene chiamato potenziale di riduzione standard V del metallo. Tramite

0

queste misure possono essere ottenute le serie delle fem dei metalli che ne rappresenta la nobiltà. In modo

più pratico questa graduatoria è fatta tramite la serie galvanica che viene calcolata tramite degli esperimenti

svolti in un ambiente reale come l’acqua marina, esso possono rappresentare anche le leghe oltre a quelli dei

metalli puri. Le celle galvaniche tengono inoltre conto delle condizioni in cui i metalli si trovano durante la

prova. Possono essere misurate anche le riduzioni dell’ambiente, non solo quelle del metallo.

Per innescarsi, il processo di corrosione, ha bisogno che il metallo e l’ambiente rispettino una condizione

< ,

necessaria: ciò indica che la reazione dell’ambiente è in grado di consumare gli

elettroni di quella del metallo. Alcuni metalli verificano questa condizione ma non si corrodono nel tempo, o

meglio, metalli come lo zinco, il titanio, cromo e alluminio si corrodono solo superficialmente e in seguito il

processo si arresta. Essi si chiamano metalli attivi-passivi sui quali si formano strati sottili di ossido protettivo.

La corrosione nel tempo ha andamenti differenti a seconda della tipologia dei processi che avvengono:

processi a velocità costante, auto-stimolati (o auto

acceleranti, la velocità di corrosione aumenta

progressivamente), auto-rallentati (la velocità

diminuisce nel tempo) e processi che tendono ad annullarsi. Esistono diverse tipologie di corrosione:

1) corrosione generalizzata: anche chiamata diffusa, indica il fenomeno corrosivo che avanza su tutta la

superficie del pezzo, tuttavia essa non genera particolari problemi poiché può essere individuata

facilmente.

2) Corros